面试|再次讲解Threadlocal使用及其内存溢出

ThreadLocal彻底详解

浪尖整理本文主要是想帮助大家完全消化面试中常见的ThreadLocal问题。希望读懂此文以后大家可以掌握：

1. 简单介绍原理

2. ThreadLocal使用案例场景

3. Threadlocal的底层原理

4. Threadlocal内存溢出原因和解决方法

1. 简介

高并发处理起来比较麻烦，很多新手对此都会非常头疼。要知道避免并发的最简单办法就是线程封闭，也即是把对象封装到一个线程里，那么对象就只会被当前线程能看到，使得对象就算不是线程安全的也不会出现任何安全问题。Threadlocal是实现该策略的最好的方法。Threadlocal为每个线程提供了一个私有变量，然后线程访问该变量（get或者set）的时候实际上是读写的自己的局部变量从而避免了并发法问题。

2. 案例使用

首先定义一个ThreadLocal的封装工具类

package bigdata.spark.study.ThreadLocalTest;

public class Bank {
    ThreadLocal<Integer> t = new ThreadLocal<Integer>(){
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 100;
        }
    };

    public int get(){
        return t.get();
    }

    public void set(){
        t.set(t.get()+10);
    }
}

实现一个Runnable对象然后使用bank对象

package bigdata.spark.study.ThreadLocalTest;

public class Transfer implements Runnable {

    Bank bank;

    public Transfer(Bank bank) {
        this.bank = bank;

    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i =0 ;i < 10;i++){
            bank.set();
            System.out.println(Thread.currentThread()+" : " +bank.get());
        }
    }
}

定义两个线程t1和t2，运行之后查看结果：

package bigdata.spark.study.ThreadLocalTest;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Bank bank = new Bank();

        Transfer t = new Transfer(bank);
        
        Thread t1 = new Thread(t);

        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(t);
        t2.start();

        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(bank.get());

    }
}

查看输出结果就会发现，发现主线程，线程t1，线程t2之间相互不影响～

Thread[Thread-0,5,main] : 110
Thread[Thread-0,5,main] : 120
Thread[Thread-0,5,main] : 130
Thread[Thread-0,5,main] : 140
Thread[Thread-0,5,main] : 150
Thread[Thread-0,5,main] : 160
Thread[Thread-0,5,main] : 170
Thread[Thread-0,5,main] : 180
Thread[Thread-0,5,main] : 190
Thread[Thread-0,5,main] : 200
Thread[Thread-1,5,main] : 110
Thread[Thread-1,5,main] : 120
Thread[Thread-1,5,main] : 130
Thread[Thread-1,5,main] : 140
Thread[Thread-1,5,main] : 150
Thread[Thread-1,5,main] : 160
Thread[Thread-1,5,main] : 170
Thread[Thread-1,5,main] : 180
Thread[Thread-1,5,main] : 190
Thread[Thread-1,5,main] : 200
100

3. 底层源码

每个线程Thread内部都会有ThreadLocal.ThreadLocalMap对象，该对象是一个自定义的map，key是弱引用包装的ThreadLocal类型，value就是我们的值。

初始值

Threadlocal直接在构造的时候设置初始值。主要是要实现其initialValue方法：

new ThreadLocal<Integer>(){
    @Override
    protected IntegerinitialValue() {
        return 100;
    }
};

追踪一下该方法，会发现其仅仅被一个私有方法调用了

private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

解读一下setInitialValue私有方法

1. 首先调用initialVaule方法，获取初始值。

2. 然后获取当前线程对象的引用。

3. 通过线程对象引用获取ThreadLocal.ThreadLocalMap对象 map。

4. map对象不为空，就将当前threadlocal弱引用作为key，初始值为value完成初始化。

5. Map对象为空，调用createMap方法，并完成初始化。

   void createMap(Thread t, T firstValue) {
       t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
   }

读到这可能会很好奇，为啥只是被私有方法调用，我们又无权调用该私有方法，如何实现初始化呢？也是很简单的在我们第一次调用get的时候，会调用该私有初始化方法，来真正完成初始化。

Get方法

具体代码如下：

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

我们来解读一下get方法，此处就真正暴露ThreadLocal的真实面目了。

1. 获取当前线程对象，t

2. 通过getMap(t)方法来获取t内部的ThreadLocal.ThreadLocalMap对象。

3. 然后判断ThreadLocalMap对象是否为空，不为空就可以通过当前Threadlocal对象获取对应的value值，存在返回，不存在跳过。

4. 假如map为空或者当前threadlocal对象对应的value为空，那么就调用初始化方法setInitialValue初始化并返回初始值。

Set

接下来解读一下threadlocal变量的set方法。Set的方法源码如下：

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

1. 获取当前线程对象 t

2. 通过getMap(t)方法来获取t内部的ThreadLocal.ThreadLocalMap对象 map。

3. map不为空，当前threadlocal对象作为key（弱引用），要设置的value作为value完成值的设置。

4. 假如map为空，就调用createMap方法，给当前线程创建一个ThreadlocalMap

void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

remove方法

threadlocal的remove方法主要作用是删除当前threadlocal对应的键值对。

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

4. 内存泄漏

根据前面对threadlocal的整理，其实可以画出来一个结构图：

对value的引用线路有两条：

1. threadlocalref 是ThreadLocal强引用，key是ThreadLocal变量的弱引用。由于key是弱引用，当ThreadLocalRef因不用而释放掉的时候，ThreadLocal对象就会被回收，由于是key到threadLocal对象为弱引用，一旦进行垃圾回收key就会被回收而相应位置变为null，当然value依然存在。

2. 通过当前线程的引用可以获取当前线程对象，当前线程对象就可以获取到ThreadLocalMap，那么只要当前线程一直存在，ThreadLocalMap对象就会一直存在。

由于ThreadlocalMap存活时间和线程一样，比如我们采用的是常驻线程池，使用线程过程中没有清空ThreadLocalMap，也没有调用threadlocal的remove方法，就将线程放回线程池，虽然ThreadLocal的强引用ThreadLocalRef被清除，弱引用key在GC的时候也会被设置为null，但是对于value值还存在一条强引用链条：

currentThreadRef-àcurrentThread-àThreadLocalMap-àEntry(value)，所以value并没有释放，就造成了内存泄漏了。 

那这时候你或许会问为啥ThreadLocalMap存储value的时候不采用弱引用呢？这样不就可以避免内存泄漏了么？value是弱引用是不行的，原因很简单：我们存储的对象除了ThreadLocalMap的Value就没有其他的引用了，value一但是对象的弱引用，GC的时候被回收，对象就无法访问了，这显然不是我们想要的。

5. 避免内存泄漏 

为避免内存泄漏最好在使用完ThreadLocal之后调用其remove方法，将数据清除掉。

当然，对于Java8 ThreadLocalMap 的 set 方法通过调用 replaceStaleEntry 方法回收键为 null 的 Entry 对象的值（即为具体实例）以及 Entry 对象本身从而防止内存泄漏

get方法会间接调用expungeStaleEntry 方法将键和值为 null 的 Entry 设置为 null 从而使得该 Entry 可被回收

欢迎加入500位球友一起学习～