Java源码分析系列笔记-14.ThreadPool

目录

• 1. 是什么
• 2. 如何使用
• 3. 原理分析
  • 3.1. uml
  • 3.2. 构造方法
  • 3.3. set方法
    • 3.3.1. 先获取Thread对应的ThreadLocalMap
    • 3.3.2. 有的话调用ThreadLocalMap set方法插入ThreadLocal:value
      • 3.3.2.1. 发生Hash冲突则使用开放寻址法
    • 3.3.3. 没有则创建ThreadLocalMap并放入ThreadLocal:value
      • 3.3.3.1. ThreadLocalMap构造方法
  • 3.4. get方法
    • 3.4.1. 先获取Thread对应的ThreadLocalMap
    • 3.4.2. Map不为空，那么从Map中获取key为当前ThreadLocal对象的Entry
      • 3.4.2.1. 使用开放寻址法继续寻找下一个位置
    • 3.4.3. Map为空，则向创建后初始化默认值Null
  • 3.5. remove方法
    • 3.5.1. 先获取Thread对应的ThreadLocalMap
    • 3.5.2. 通过ThreadLocalMap remove key为当前ThreadLocal的Entry
• 4. 总结
• 5. 参考

1. 是什么

不是线程同步机制，是一种线程数据隔离机制。

多线程共享变量通信的情况下，我们需要保证线程安全。一种方法是使用锁，另一种就是数据隔离机制。

ThreadLocal用的是后一种，即每个线程操作的是自己独有的数据，因此互相之间不会影响

2. 如何使用

public class ThreadLocalTest
{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
        threadLocal.set("main");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());//main:main

        Thread thread1 = new Thread(()->{
            threadLocal.set("thread1");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());//Thread-0:thread1
        });

        Thread thread2 = new Thread(()->{
            threadLocal.set("thread2");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());//Thread-1:thread2
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());//main:main

        threadLocal.remove();

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());//main:null

    }
}

3. 原理分析

3.1. uml

Thread有一个ThreadLocalMap属性，

ThreadLocalMap有一个Entry数组属性

Entry有key和value属性，其中key为ThreadLocal，value为Object。并且Entry继承了WeakReference

3.2. 构造方法

 //记录hash值
 private static AtomicInteger nextHashCode =
        new AtomicInteger();

 public ThreadLocal() {
 }

3.3. set方法

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    //获取当前线程对应的ThreadLocalMap属性
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
    	//将（ThreadLocal，value）构造成Entry放入ThreadLocalMap
        map.set(this, value);
    else
    	//创建新的map关联当前线程，并且并放入（ThreadLocal，value）
        createMap(t, value);
}

• 4行：先获取Thread对应的ThreadLocalMap
• 5-7行：有的话调用ThreadLocalMap set方法插入ThreadLocal:value
• 8-10行：没有则创建ThreadLocalMap并放入ThreadLocal:value

下面具体分析：

3.3.1. 先获取Thread对应的ThreadLocalMap

Thread t = Thread.currentThread();
//获取当前线程对应的ThreadLocalMap属性
ThreadLocalMap map = getMap(t);

• getMap

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
	//获取当前Thread对应的ThreadLocalMap对象
    return t.threadLocals;
}

3.3.2. 有的话调用ThreadLocalMap set方法插入ThreadLocal:value

• 调用ThreadLocalMap set

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
   	//计算当前元素在数组中的位置
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

	//如果key不在数组中，那么一直找到空位置
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
     	//开放寻址法
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();

		//key相等，替换值
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }

		//key为空，那么构造entry放入
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

	//走到这里说明退出循环，找到了空位置
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    //是否需要扩容
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

3.3.2.1. 发生Hash冲突则使用开放寻址法

• nextIndex

private static int nextIndex(int i, int len) {
	//线性探测i+1的位置
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

3.3.3. 没有则创建ThreadLocalMap并放入ThreadLocal:value

 else
    //创建新的map关联当前线程，并且并放入（ThreadLocal，value）
    createMap(t, value);

• createMap

void createMap(Thread t, T firstValue) {
	//当前ThreadLocal对象作为key，value作为value构造entry并构造map
	//thread的ThreadLocalMap属性是这里设置的
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

3.3.3.1. ThreadLocalMap构造方法

static class ThreadLocalMap {

	//由于Entry继承了WeakRefence
	static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
		Object value;

		Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
		//key是个弱引用（即一旦发生垃圾回收就会回收这个引用指向的对象）。
		//当key被回收后，也即ThreadLocal被回收了，但是Entry中value的引用还在无法回收，可能会造成内存泄漏
		    super(k);
		    value = v;
		}
	}

	//初始容量为16，必须为2的次方
	private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

	//使用数组+线性探测法
	private Entry[] table;

	//实际使用的长度
	private int size = 0;

	//实际使用的长度达到这个长度时需要扩容
	private int threshold; 

	ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
		table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
		//计算下标并且存入entry
		int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
		table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);

		size = 1;
		setThreshold(INITIAL_CAPACITY);//设置threshold为16*2/3=10
	}

	private void setThreshold(int len) {
        threshold = len * 2 / 3;
    }

3.4. get方法

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    //获取当前线程对应的ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
    	//以当前ThreadLocal对象作为key从ThreadLocalMap中获取entry
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
    	//从entry中获取value并返回
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    //初始化map
    return setInitialValue();
}

• 4行：先获取Thread对应的ThreadLocalMap
• 5-14行：Map不为空，那么从Map中获取key为当前ThreadLocal对象的Entry
• 15-16行：Map为空，则向创建后初始化默认值Null

3.4.1. 先获取Thread对应的ThreadLocalMap

Thread t = Thread.currentThread();
//获取当前线程对应的ThreadLocalMap属性
ThreadLocalMap map = getMap(t);

• getMap

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
	//获取当前Thread对应的ThreadLocalMap对象
    return t.threadLocals;
}

3.4.2. Map不为空，那么从Map中获取key为当前ThreadLocal对象的Entry

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
	//计算下标
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    //很幸运第一个位置就是要找的元素
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
    	//很不幸，需要用线性探测法
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

3.4.2.1. 使用开放寻址法继续寻找下一个位置

• getEntryAfterMiss

private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

	//一直线性探测到为null（不存在）
    while (e != null) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        //key是否相等
        if (k == key)
            return e;
        //ThreadLocal被回收了，那么回收value对象
        if (k == null)
            expungeStaleEntry(i);
        else//继续下一个
            i = nextIndex(i, len);
        e = tab[i];
    }

    return null;
}

3.4.3. Map为空，则向创建后初始化默认值Null

• setInitialValue

private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();//return null;
    //下面这段代码同set方法
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

3.5. remove方法

public void remove() {
//获取当前线程对应的map
 ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
 if (m != null)
     m.remove(this);
}

• 3行：先获取Thread对应的ThreadLocalMap
• 4-5行：通过ThreadLocalMap remove key为当前ThreadLocal的Entry

3.5.1. 先获取Thread对应的ThreadLocalMap

//获取当前线程对应的map
 ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());

• getMap

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
	//获取当前Thread对应的ThreadLocalMap对象
    return t.threadLocals;
}

3.5.2. 通过ThreadLocalMap remove key为当前ThreadLocal的Entry

private void remove(ThreadLocal<?> key) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    //从map中找到对应的key并把entry删除
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        if (e.get() == key) {
            e.clear();//清空key引用
            expungeStaleEntry(i);//回收value对象
            return;
        }
    }

}

4. 总结

• 每个Thread都有ThreadLocalMap属性。可以想象成一个HashMap，这个Map中Entry 的key为ThreadLocal，value为要存储的值
• 由于key为ThreadLocal自己，因此一个ThreadLocal只能存储一个Object对象，如果需要存储多个Object对象那么就需要多个ThreadLocal
• 由于Entry继承了WeakRefence，key是个弱引用（即一旦发生垃圾回收就会回收这个引用指向的对象）。当key被回收后，也即ThreadLocal被回收了，但是Entry中value的引用还在无法回收，可能会造成内存泄漏。因此我们需要用static引用ThreadLocal变量且手动remove

5. 参考

• 手撕面试题ThreadLocal！！！ | 并发编程网 – ifeve.com
• Java面试必问，ThreadLocal终极篇 - 掘金
• ThreadLocal内存泄漏问题 - 掘金