Threadlocal相关问题

threadlocal

ThreadLocal是什么？

ThreadLocal类提供线程局部变量。这些变量与普通的对应变量的不同之处在于：每个访问一个变量的线程(通过它的get或set方法)都有自己独立初始化的变量副本。ThreadLocal实例通常是类中的私有静态字段，它们希望将状态与线程相关联(例如，用户ID或事务ID)。

只要线程是存活的，并且ThreadLocal实例是可访问的，每个线程都持有对其线程局部变量副本的隐式引用；在一个线程消失后，它的所有线程本地实例副本都要服从垃圾收集(除非存在对这些副本的其他引用)。

ThreadLocal.set()方法整体流程如下:

每次进入set()方法，都会调用Thread.currentThread()方法获取到当前的线程对象;
然后调用 getMap(t)获取当前线程中的ThreadLocalMap对象，通过源码调试，我们知道ThreadLocalMap类型的threadLocals引用位于java.lang.Thread类中，这样对可以断定，每个Thread都持有一个ThreadLocalMap；
getMap(t)后会判断结果是否为空，非空则调用ThreadLocalMap.set()方法，空则调用createMap()用线程和值创建新的ThreadLocalMap对象;
ThreadLocalMap是ThreadLocal的一个静态内部类，ThreadLocalMap内部再封装一个静态的内部Entry类来存放值，Entry继承WeakReference弱引用，所以最后数据存入一个table数组，数组的元素对象有两个字段，refrent==threadLocal，value==的object；
ThreadLocalMap.set()方法，先从Entry[]数组中查询当前key对应的引用，如果存在则返回，如果不存在，则清除replaceStaleEntry(key, value, i)，处理内存泄露问题；
createMap()底层维护的是一个Entry[]，来存放ThreadLocal和value；
从set()中也可以看出ThreadLocalMap是惰性构造的，所以我们只有在至少有一个条目要放进去时才创建一个ThreadLocalMaps。

1.ThreadLocal底层数据结构

Thread 类的内部定义了两个 ThreadLocalMap，ThreadLocalMap 是存储 ThreadLocal 的容器，一个是此线程私有的 threadLocals ，一个是可继承父类 ThreadLocal 的inheritableThreadLocals；

其定义了一个静态内部类 ThreadLocalMap，我们可以把 ThreadLocalMap 理解为线程存储私有数据的容器。存取数据时调用的是 ThreadLocalMap 类的 get、set 方法。

ThreadLocalMap 中定义了一个 Entry 数组，该数组存放一个个 Entry 对象；Entry 对象是以 ThreadLocal 作为 key，任意类型作为 value 的一种键值对。

一个 Thread 类可以有多个 ThreadLocal 类，一个 Thread 类拥有一个 ThreadLocalMap，该集合并没有实现 map 接口，底层数据结构是数组；键值对Entry(ThreadLocal<?> k, Object v)（多个 ThreadLocal）都存储在 table 数组中，就像Map [{id:1},{name:”张三”},{age:20}]。

该数据结构是为了让每个线程可以关联多个 ThreadLocal 变量。这也就解释了 ThreadLocal 声明的变量为什么在每一个线程都有自己的专属本地变量。

2.如何保证线程安全

set方法:

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

get方法：

1
2
3

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}

可以看到ThreadLocal操作值的时候是取得当前线程的ThreadLocalMap对象，然后把值设置到了这个对象中，这样对于不同的线程得到的就是不同的ThreadLocalMap，那么向其中保存值或者修改值都只是会影响到当前线程，这样就保证了线程安全。

3.ThreadLocal在什么情况下会造成内存泄漏

ThreadLocalMap内部维护了一个Entry[] table来存储键值对的映射关系，内存泄漏和Entry类有非常大的关系，下面是Entry的源码：

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;
    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

Entry将ThreadLocal作为Key，值作为value保存，它继承自WeakReference，注意构造函数里的第一行代码super(k)，这意味着ThreadLocal对象是一个「弱引用」。

由于ThreadLocal对象是弱引用，如果外部没有强引用指向它，它就会被GC回收，导致Entry的Key为null，如果这时value外部也没有强引用指向它，那么value就永远也访问不到了，按理也应该被GC回收，但是由于Entry对象还在强引用value，导致value无法被回收，这时「内存泄漏」就发生了，value成了一个永远也无法被访问，但是又无法被回收的对象。

Entry对象属于ThreadLocalMap，ThreadLocalMap属于Thread，如果线程本身的生命周期很短，短时间内就会被销毁，那么「内存泄漏」立刻就会得到解决，只要线程被销毁，value也会随之被回收。问题是，线程本身是非常珍贵的计算机资源，很少会去频繁的创建和销毁，一般都是通过线程池来使用，这就将线程的生命周期大大拉长，「内存泄漏」的影响也会越来越大。

4.如何解决内存泄漏问题

每次操作set、get、remove操作时，会相应调用 ThreadLocalMap 的三个方法，ThreadLocalMap的三个方法在每次被调用时都会直接或间接调用一个 expungeStaleEntry() 方法，这个方法会将key为null的 Entry 删除，从而避免内存泄漏。

如果一个线程运行周期较长，而且将一个大对象放入LocalThreadMap后便不再调用set、get、remove方法仍然有可能key的弱引用被回收后，引用没有被回收，此时该仍然可能会导致内存泄漏。这个问题没办法通过ThreadLocal解决，而是需要程序员在完成ThreadLocal的使用后要养成手动调用remove的习惯，从而避免内存泄漏。

既然弱引用会导致内存泄漏，那ThreadLocalMap为什么对ThreadLocal的引用要设置成弱引用？

为了尽快回收这个线程变量，因为这个线程变量可能使用场景不是特别多，所以希望使用完后能尽快被释放掉。因为线程拥有的资源越多，就越臃肿，线程切换的开销就越大，所以希望尽量降低线程拥有的资源量。

5.java中的引用方式：强引用，弱引用，软引用，虚引用

强引用 > 软引用 > 弱引用 > 虚引用

1、强引用（StrongReference）

强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。如下：

Object o=new Object(); // 强引用

2、软引用（SoftReference）

如果一个对象只具有软引用，则内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它；如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

String str=new String("abc"); // 强引用 SoftReference<String> softRef=new SoftReference<String>(str); // 软引用

3、弱引用（WeakReference）

弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

String str=new String("abc"); WeakReference<String> abcWeakRef = new WeakReference<String>(str); str=null;

4、虚引用（PhantomReference）

“虚引用”顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：虚引用必须和引用队列（ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。