ThreadLocal原理及内存泄露预防

参阅：http://www.importnew.com/22039.html

前言

ThreadLocal提供了线程独有的局部变量，可以在整个线程存活的过程中随时取用，极大地方便了一些逻辑的实现。常见的ThreadLocal用法有：
- 存储单个线程上下文信息。比如存储id等；
- 使变量线程安全。变量既然成为了每个线程内部的局部变量，自然就不会存在并发问题了；
- 减少参数传递。比如做一个trace工具，能够输出工程从开始到结束的整个一次处理过程中所有的信息，从而方便debug。由于需要在工程各处随时取用，可放入ThreadLocal。

原理

ThreadLocal里类型的变量，其实是放入了当前Thread里。每个Thread都有一个{@link Thread#threadLocals}，它是一个map：{@link java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap}。这个map的entry是{@link java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry}，具体的key和value类型分别是{@link ThreadLocal}和 {@link Object}。

（注：实际是ThreadLocal的弱引用WeakReference<ThreadLocal<?>>，但可以先简单理解为ThreadLocal。）

当设置一个ThreadLocal变量时，这个map里就多了一对ThreadLocal -> Object的映射。

通过一个简单程序来说明上图：

package example.concurrency.tl;

/**
 * @author liuhaibo on 2018/05/23
 */
public class ThreadLocalDemo {

    private static final ThreadLocal<Integer> TL_INT = ThreadLocal.withInitial(() -> 6);
    private static final ThreadLocal<String> TL_STRING = ThreadLocal.withInitial(() -> "Hello, world");

    public static void main(String... args) {
        // 6
        System.out.println(TL_INT.get());
        TL_INT.set(TL_INT.get() + 1);
        // 7
        System.out.println(TL_INT.get());
        TL_INT.remove();
        // 会重新初始化该value，6
        System.out.println(TL_INT.get());
    }
}

• Stack-ThreadLocalRef：TL_INT;
• Stack-CurrentThreadRef： 当前线程在栈中的引用；
• Heap-ThreadLocal：TL_INT引用所对应的ThreadLocal实例；
• Heap-CurrentThread：当前线程实例；
• Heap-Map：当前线程内部的threadLocals变量所对应的map实例；
• Heap-Entry：上述map的entry；
• Heap-Entry-Key：上述entry的键的弱引用；
• Heap-Entry-Value：上述entry的值的强引用；

对于上述程序，实际上我们在当前线程的threadlocals这个map里放了如下内容：

 | TL_INT    -> 6 |
 | TL_STRING -> "Hello, world"|

对于一个普通的map，取其中某个key对应的值分两步：
1. 找到这个map；
2. 在map中，给出key，得到value。

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想取出我们存放在当前线程里的map里的值同样需要这两步。但是，我们不需要告诉jvm map在哪儿，因为jvm知道当前线程，也知道其局部变量map。所以最终的get操作只需要知道key就行了：int localInt = TL_INT.get();。
看起来有些奇怪，不同于常规的map的get操作的接口的样子。

为什么key使用弱引用

不妨反过来想想，如果使用强引用，当ThreadLocal对象（假设为ThreadLocal@123456）的引用（即：TL_INT，是一个强引用，指向ThreadLocal@123456）被回收了，ThreadLocalMap本身依然还持有ThreadLocal@123456的强引用，如果没有手动删除这个key，则ThreadLocal@123456不会被回收，所以只要当前线程不消亡，ThreadLocalMap引用的那些对象就不会被回收，可以认为这导致Entry内存泄漏。

那使用弱引用的好处呢？

如果使用弱引用，那指向ThreadLocal@123456对象的引用就两个：TL_INT强引用，和ThreadLocalMap中Entry的弱引用。一旦TL_INT被回收，则指向ThreadLocal@123456的就只有弱引用了，在下次gc的时候，这个ThreadLocal@123456就会被回收。

那么问题来了，ThreadLocal@123456对象只是作为ThreadLocalMap的一个key而存在的，现在它被回收了，但是它对应的value并没有被回收，内存泄露依然存在！而且key被删了之后，变成了null，value更是无法被访问到了！针对这一问题，ThreadLocalMap类的设计本身已经有了这一问题的解决方案，那就是在每次get()/set()/remove()ThreadLocalMap中的值的时候，会自动清理key为null的value。如此一来，value也能被回收了。

既然对key使用弱引用，能使key自动回收，那为什么不对value使用弱引用？答案显而易见，假设往ThreadLocalMap里存了一个value，gc过后value便消失了，那就无法使用ThreadLocalMap来达到存储全线程变量的效果了。（但是再次访问该key的时候，依然能取到value，此时取得的value是该value的初始值。即在删除之后，如果再次访问，取到null，会重新调用初始化方法。）

内存泄露

总结一下内存泄露（本该回收的无用对象没有得到回收）的原因：
- 弱引用一定程度上回收了无用对象，但前提是开发者手动清理掉ThreadLocal对象的强引用（如TL_INT）。只要线程一直不死，ThreadLocalMap的key-value一直在涨。

解决方法：当某个ThreadLocal变量（比如：TL_INT）不再使用时，记得TL_INT.remove()，删除该key。

在上例中，ThreadLocalDemo持有static的ThreadLocal类型：TL_INT，导致TL_INT的生命周期跟ThreadLocalDemo类的生命周期一样长。意味着TL_INT不会被回收，弱引用形同虚设，所以当前线程无法通过ThreadLocalMap的防护措施清除TL_INT所对应的value（Integer）的强引用。

通常，我们需要保证作为key的TL_INT类型能够被全局访问到，同时也必须保证其为单例，因此，在一个类中将其设为static类型便成为了惯用做法。

线程池

使用了线程池，可以达到“线程复用”的效果。但是归还线程之前记得清除ThreadLocalMap，要不然再取出该线程的时候，ThreadLocal变量还会存在。这就不仅仅是内存泄露的问题了，整个业务逻辑都可能会出错。

解决方法参考：

/**
 * Method invoked upon completion of execution of the given Runnable.
 * This method is invoked by the thread that executed the task. If
 * non-null, the Throwable is the uncaught {@code RuntimeException}
 * or {@code Error} that caused execution to terminate abruptly.
 *
 * <p>This implementation does nothing, but may be customized in
 * subclasses. Note: To properly nest multiple overridings, subclasses
 * should generally invoke {@code super.afterExecute} at the
 * beginning of this method.
 *
... some deleted ...
 *
 * @param r the runnable that has completed
 * @param t the exception that caused termination, or null if
 * execution completed normally
 */
protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) { }

override {@link ThreadPoolExecutor#afterExecute(r, t)}方法，对ThreadLocalMap进行清理，比如：

protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) { 
    // you need to set this field via reflection.
    Thread.currentThread().threadLocals = null;
}

参考：https://stackoverflow.com/a/30328722/7676237

所以ThreadLocal最好还是不要和线程池一起使用，就没这么多问题了:D

附：强引用-软引用-弱引用

• 强引用：普通的引用，强引用指向的对象不会被回收；
• 软引用：仅有软引用指向的对象，只有发生gc且内存不足，才会被回收；
• 弱引用：仅有弱引用指向的对象，只要发生gc就会被回收。

看一个例子就明白强引用、软引用、弱引用的区别：

package example.reference;

import java.lang.ref.SoftReference;
import java.lang.ref.WeakReference;

/**
 * @author liuhaibo on 2018/03/06
 */
public class WeakRefDemo {

    public static void main(String... args) {

        // all these objects have a strong reference
        Object a = new Object();
        Object b = new Object();
        Object c = new Object();

        // other references to these objects
        Object strongA = a;
        SoftReference<Object> softB = new SoftReference<>(b);
        WeakReference<Object> weakC = new WeakReference<>(c);

        // free the former strong references to these objects:

        // there is still a strong reference(strongA) to the first object
        a = null;
        // only a soft reference(softB) refers to the second object
        b = null;
        // only a weak reference(weakC) refers to the third object
        c = null;

        System.out.println("Before gc...");
        System.out.println(String.format("strongA = %s, softB = %s, weakC = %s", strongA, softB.get(), weakC.get()));

        System.out.println("Run GC...");

        System.gc();

        // object with only soft reference will be cleaned only if memory is not enough: 用来做缓存很不错
        // object with only weak reference will be cleaned after a gc operation:
        System.out.println("After gc...");
        System.out.println(String.format("strongA = %s, softB = %s, weakC = %s", strongA, softB.get(), weakC.get()));
    }
}

Output：

Before gc...
strongA = java.lang.Object@3af49f1c, softB = java.lang.Object@19469ea2, weakC = java.lang.Object@13221655
Run GC...
After gc...
strongA = java.lang.Object@3af49f1c, softB = java.lang.Object@19469ea2, weakC = null