你的ThreadLocal线程安全么

想必很多小伙伴们对ThreadLocal并不陌生，ThreadLocal叫做线程本地变量，也就是ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本，每个线程可以访问自己内部的副本变量。那么，我们使用ThreadLocal一定线程安全么？话不多说，先上结论：

如果threadlocal.get之后的副本，只在当前线程中使用，那么是线程安全的；如果对其他线程暴露，不一定是线程安全的。

为了演示下错误的使用方式，先看下如下代码（虽然小伙伴们都不会这样写代码 ^_^）：

static class Container {
    int num;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ThreadLocal<Container> tl = new ThreadLocal<>();
    tl.set(new Container()); // 先set下ThreadLocal

    Container container = tl.get();
    Runnable task = () -> {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            container.num++;
        }
    };

    Thread t1 = new Thread(task);
    Thread t2 = new Thread(task);

    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();

    System.out.println(tl.get().num);
}

笔者的一次结果输出为：17581

结合代码，我们知道，在执行threadlcoal.get获取到线程变量副本之后，不要让其他线程来访问它了，否则就是多线程操作同一个变量，可能造成线程安全问题。

除了上述讨论的ThreadLocal线程安全性问题之外，ThreadLocal如果使用不当，可能存在内存泄露问题。ThreadLocal变量是保存在Thread.threadLocals中（ThreadLocalMap类型）以Entry类型保存的，其中Entry.key（也就是弱引用referent实际指向对象）为ThreadLocal变量，该变量为弱类型；Entry.value为实际set的value。

// Entry，里面保存在ThreadLocal变量，也就是key，是弱引用
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

虽然Entry.referent是弱类型，指向ThreadLocal变量，但是如果ThreadLocal变量本身引用不置为null的话，这里的Entry.referent指向对象是不会释放的。比如我们常用的定义方式：

// 静态变量和对象属性
static ThreadLocal<String> tls = new ThreadLocal<>();
ThreadLocal<Integer> tli = new ThreadLocal<>();

类似于静态变量和对象属性这种引用，如果不将tls或tli设置为null，那么ThreadLocal变量无法释放（这不是废话么，人家可是强引用呀），此时的Entry.referent弱类型没啥卵用；只有在tls或tli为null时，Entry.referent弱类型就起作用了，在第一次GC时就会将Entry.referent弱类型指向的对象回收。

如果Entry.referent弱类型指向的对象回收了（没调用ThreadLocal.remove操作），Entry.value对象还在，并且Entry.value可是强引用的，此时就发生了内存泄露。这也就是ThreadLocal使用不当（没调用ThreadLocal.remove）时产生的内存泄漏问题。不过，伴随着其他ThreadLocal对象的set/get/remove的进行，会清除一部分Entry.referent为null但是Entry.value不为null的对象的，也就是修复内存泄露问题，注意，这个只是清除部分这样的Entry，并不能保证一次就能清除全部这样的Entry，所以还是要遵循ThreadLocal.set，用完之后就remove。

讨论完了ThreadLocal的潜在问题之后，你是不是意犹未尽，想深入了解下ThreadLocal实现原理？OK，那就搬起小板凳，一起唠唠吧~

ps：如果小伙伴对ThreadLocal原理已经熟悉了，那么恭喜你，后面的内容可以不看了~

ThreadLocal实现原理

ThreadLocal变量主要有get/set/remove三个操作，理解了这三个操作流程，基本上就理解了ThreadLocal实现原理。

get

get流程如下：

1. 获取当前线程的threadLocals（map结构），从threadLocals中获取当前ThreadLocal变量对应的ThreadLocalMap.Entry(pair类型，包含了当前ThreadLocal变量及其对应的value)，非空直接返回对应的value
2. 为空时使用默认值（默认为null）构造ThreadLocalMap.Entry，放到当前线程的threadLocals中，下次再get时直接返回ThreadLocalMap.Entry对应的value即可

/**
 * 当前线程的threadLocalMap中获取当前ThreadLocal对应的value
 */
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;
        }
    }
    // 设置null值，下次直接返回null了
    return setInitialValue();
}

/**
 * 如果一次找到了entry，直接返回；否则就是set时hash冲突了
 * 遍历后续的slot，进行查找
 * 这里其实JDK可以做个优化，在set之后，将slot位置记录在Threadlocal变量中，下次直接到对应slot位置get即可
 */
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

注意：线程的threadLocals是一个基于开放定址法实现的map结构。

set

• set操作就是将ThreadLocal变量的值put到当前线程的threadLocals中，ThreadLocal变量及其对应的值会构造成一个ThreadLocalMap.Entry放到threadLocals中。
• 因为线程的threadLocals是一个基于开放定址法实现的map结构，所以在出现hash冲突后会继续寻找下一个空位进行set操作。
• 因为是基于开放定址法，如果map中元素过多，会影响get和put性能，所以需要扩容，map的数组结构默认大小为INITIAL_CAPACITY = 16，默认扩容阈值为threshold = INITIAL_CAPACITY * 2 / 3，扩容时按照成倍扩容。

/**
 * 获取当前线程的threadLocalMap，非空直接set value;
 * 否则新建一个包含value的threadLocalMap。
 * threadLocalMap的key对应程序中定义的ThreadLocal变量，value对应要set的值
 */
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t); // Thread.threadLocals
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

// Entry，里面保存在ThreadLocal变量，也就是key，是弱引用
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

/**
 * hash码的生成，这里所有的ThreadLocal对象hash生成都是基于static变量nextHashCode来做的
 * 创建ThreadLocal对象时threadLocalHashCode已初始化完成
 */
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
private static AtomicInteger nextHashCode =
        new AtomicInteger();

/**
 * 当前线程的threadLocalMap非空直接set value
 */
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    // 如果当前table[i] hash冲突，那么就以i为起点，遍历后续table[i]，
    // 这其实就是hash冲突中的开放定址法，另外一种是分离链接法
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        // key已存在，更新vlaue即可
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
        // key为null，复制value即可
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    // 新建Entry，清理一部分Entry.key为null，value不为null的数据，避免内存泄露
    // 超过了threshold时rehash操作
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

remove

/**
 * 从ThreadLocalMap删除对应key
 */
public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        if (e.get() == key) {
            // 清除Entry.key弱引用，设置为null
            e.clear();
            // 清除Entry.value引用，可能还涉及部分key为null的Entry数据清理
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}

小结

从ThreadLocal的get/set操作流程来看，ThreadLocal的value 是 Lazy Init（延迟初始化的）。ThreadLocal为什么是延迟初始化，这个问题应该是容易理解的，原因是：在没有具体业务场景前提下，这样的做法避免内存浪费。

ThreadLocal变量默认放在基于开放定址法实现的map结构中，这种结构在hash冲突时会造成多次get/set操作，理论上可以通过记录ThreadLocal变量set时的位置，这样下次直接通过该位置获取对应value即可，可以参考netty的FastThreadLocal，它的实现思路就是这样的，提高了set/get的效率。

最后来一张ThreadLocal的整体图：

参考资料：

1、https://luoxn28.github.io/2019/04/27/ni-de-threadlocal-yi-ding-xian-cheng-an-quan-ma/