【学习笔记】ThreadLocal与引用类型相关知识点

0 写在前边

今天以 “TheadLocal 为什么会导致内存泄漏” 为题与朋友们讨论了一波，引出了一些原理性的内容，本文就这个问题作答，并扩展相关的知识点

1 ThreadLocal 和 ThreadLocalMap 是什么？

简单来说，ThreadLocal 是一种操作与线程绑定的共享对象的工具，通过ThreadLocal可以将一些对象保存在线程上，实现同线程不同方法之间的对象共享。

线程的上下文由 ThreadLocalMap 组成，它是 ThreadLocal 的静态内部类，存储着线程共享对象。

一般来说，我们无需显式创建ThreadLocalMap，也无需为装入ThreadLocalMap 对象设 key 值，因为在 set 方法执行时会创建 ThreadLocalMap，并将当前 ThreadLocal 对象作为 key，待存储对象作为 value，存储到 ThreadLocalMap。

值得一提的是，ThreadLocalMap 的 key 与 value 的类型是不同的，key 是弱引用类型的，value 是强引用类型的。

2 Thread、ThreadLocal 与 ThreadLocalMap 之间的关系

Thread 与 ThreadLocalMap

首先 ThreadLocalMap 是与 Thread 进行绑定的，ThreadLocalMap 是线程上实际存储共享对象的容器。

如下图，threadLocals 就是默认的 ThreadLocalMap，默认为 null

绑定 ThreadLocalMap 到 Thread 的位置在 ThreadLocal 的 createMap 方法中，threadLocals 引用指向 ThreadLocalMap。（这里还包含了放置第一个对象的操作）

ThreadLocal 的 getMap 方法取的就是线程的 threadLocals

ThreadLocal与ThreadLocalMap

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 类的静态内部类，ThreadLocal 是操作 ThreadLocalMap 的工具，还是 ThreadLocalMap 的 key 对象，在 ThreadLocal 作为 key 保存前转换成弱引用类型。

一般我们通过 ThreadLocal 的 set 方法进行保存对象，在 set 方法内部获取了当前线程的 ThreadLocalMap，调用 ThreadLocalMap 的 set 方法进行保存对象。

使用 this 关健字将当前使用的 ThreadLocal 对象作为 key 存到 ThreadLocalMap 中，以减小 key 冲突的可能性。

ThreadLocalMap 中的 set 方法主要是创建一个 Entry 对象放进数组中，Entry 继承 WeakReference 类，将 Entry 的 key（也就是 ThreadLocal）转成弱类型。

一句话总结它们之间的关系

每个 Thread 绑定 ThreadLocalMap 来存储线程上下文共享对象，ThreadLocalMap 中的key（即，ThreadLocal）在同一线程中是唯一的。单线程情况下，每个 ThreadLocal 只对应一个值对象。

3 ThreadLocal导致的内存泄漏的原因是什么？

导致内存泄漏的原因在于程序员未在使用完ThreadLocalMap中存储的对象后清除这些对象。

ThreadLocalMap是维护在Thread内部的，意味着只要线程不退出，ThreadLocalMap中保存的对象引用就会一直存在，由于垃圾回收器是依据可达性分析的，存在强引用的对象不会被回收，而ThreadLocalMap中存储的对象都是强引用的。

假设当前线程处于一个死循环中（比如，Tomcat），随着ThreadLocalMap保存的对象越来越多，垃圾收集器无法回收强引用的对象，就会导致可用堆内存越来越小，出现内存泄漏，最终抛出OOM。

4 如何清理 ThreadLocalMap 存储的对象？

用完 ThreadLocal 存储的对象后，只需调用 ThreadLocal 的 remove 方法，就会自动将 ThreadLocalMap 中的 K-V 对引用置空，垃圾收集器会在合适的时机内清除 K-V 对象释放内存。

ThreadLocal 类 remove 方法，获取当前线程上的 ThreadLocalMap 移除以此 ThreadLocal 为 key 的对象。通过调用 ThreadLocalMap 的 remove 方法实现。

ThreadLocalMap 的 remove 方法中，e.clear() 调用的是key对象继承的 Reference 类的 clear()，对 key 引用置空，expungeStaleEntry(i) 对 value 引用置空。

ThreadLocalMap 的 expungeStaleEntry 方法，分别取出 ThreadLocalMap 中的 Entry 的 value 与 Entry 本身先后置空。

5 为什么ThreadLocalMap使用弱引用key?

ThreadLocalMap 是与线程绑定的，线程不退出，强引用的key对象就不会被垃圾回收，当用户妥善处理的无用K-V对象就会导致内存泄漏。利用弱引用可以及时被 GC 的特性，回收绝大多数key（除 static 域的全局 key 外），以减缓内存泄漏。

实际上最需要回收的是value对象，弱引用key只是一种挽救措施。

6 ThreadLocalMap 为什么使用强引用 value，而不是弱引用？

与 key 不同的是，key 仅作为索引，实际工作的是 value，value 需要共享。

当局部 value 对象所在的方法结束，栈桢被清空时，会将局部 value 对象引用销毁，垃圾收集器会清除没有引用的对象。

如果此时设置成弱引用装入 Map，value 对象会在某次 GC 时消亡，这肯定不是我们希望的。

我们希望的是value对象可以维持存活以共享，只有强引用可以达到目的。

7 线程池会累积 ThreadLocalMap 的占用的内存而出现内存泄漏吗？

解释下问题，之前有讲过，ThreadLocalMap 与 Thread 的生命周期是一致的，而线程池技术是复用线程的，如果之前的 ThreadLocalMap 已经开始内存泄漏，是否会出现累积已泄漏的内存？

线程池不存在这个问题，虽然它复用了线程，但是清除了上一线程的所有资源。

8 线程有一个ThreadLocalMap，ThreadLocal也只有一个值，为何还会内存泄漏？

这是我自己思考时提出来的，能问出这个问题，只能说还没完全理解ThreadLocal与ThreadLocalMap的对应关系。

原问题：一个线程有一个ThreadLocalMap（不考虑继承ThreadLocal的那个实现），即然 ThreadLocal 作为 key 了，那么ThreadLocalMap中是否只会有一个Entry，内存再泄露能泄露到哪里去？（误认为ThreadLocalMap与ThreadLocal绑定，只有一个，也只能装一个Entry，这是错误的）

其实 ThreadLocal 我们可以创建很多个，ThreadLocalMap却只有一个（不考虑继承ThreadLocal的那个实现）,通过创建多个 ThreadLocal 来存取 ThreadLocalMap 中的对象。

伪代码举例：

ThreadLocal<A> aThreadLocal = new ThreadLocal<A>();
ThreadLocal<B> bThreadLocal = new ThreadLocal<B>();
aThreadLocal.set(new A("a"));
bThreadLocal.set(new B("b"));
aThreadLocal.get();
bThreadLocal.get();

我在ThreadLocal的getMap(）打了断点，当前线程中 ThreadLocalMap 中有两个对象，可以看到referent中记录了保存对象的ThreadLocal对象的HashCode。这起码证明了ThreadLocalMap不仅仅能装一个对象

9 【扩展】Java对象的引用类型

• 强引用：常见new的对象，只要还有强引用的对象，则不会被GC
• 软引用：比强引用弱，仅当JVM内存不足时才会清理，清理时机在OOM前
• 弱引用：只提供非强制的映射关系，会被JVM择机清理
• 虚引用（幻象引用）：无法通过它访问对象，只确保对象在finalize后执行某些操作

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