【JAVA】ThreadLocal源码分析

ThreadLocal内部是用一张哈希表来存储：

 static class ThreadLocalMap {
     static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
             /** The value associated with this ThreadLocal. */
             Object value;

             Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                 super(k);
                 value = v;
             }
     }
     private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
     private Entry[] table;
     private int size = 0;
     private int threshold;
     ......

看过HashMap的话就很容易理解上述内容【Java】HashMap源码分析

而在Thread类中有一个ThreadLocalMap 的成员：

 ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

所以不难得出如下关系：

每一个线程都有一张线程私有的Map，存放多个线程本地变量

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);
 }

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

不难看出，先获取当前线程的Thread对象，再得到该Thread对象的ThreadLocalMap 成员map，若map为空，需要先createMap()方法，若不为空，则需要调用map的set()方法

 void createMap(Thread t, T firstValue) {
         t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
 }
 ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
             table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
             int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
             table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
             size = 1;
             setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
 }
 private void setThreshold(int len) {
             threshold = len * 2 / 3;
 }

createMap方法会创建一个ThreadLocalMap对象，在ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue)构造方法中，可以看出和HashMap很相似，通过firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1)取模，计算出哈希表的下标，将创建好的Entry对象放入该位置，再根据表长计算阈值，可以看出负载因子是2/3，初始哈希表的大小是16。

 private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
     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)]) {
         ThreadLocal<?> k = e.get();

         if (k == key) {
             e.value = value;
             return;
         }

         if (k == null) {
             replaceStaleEntry(key, value, i);
             return;
         }
     }

     tab[i] = new Entry(key, value);
     int sz = ++size;
     if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
         rehash();
 }

不难看出，通过key.threadLocalHashCode & (len-1)计算出哈希表的下标，判断该位置的Entry是否为null，若为null，则创建Entry对象，将其放入该下标位置；若Entry已存在，则需要解决哈希冲突，重新计算下标。最后size自增，再根据!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold进行判断是否需要进行哈希表的调整。

在解决哈希冲突的上，常用的有开链法、线性探测法和再散列法，HashMap中使用的是开链法，而ThreadLocal使用的是线性探测法，即发生哈希冲突，往后移动到合适位置。

 private static int nextIndex(int i, int len) {
             return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
 }
 private static int prevIndex(int i, int len) {
             return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
 }

从这两个操作看出，ThreadLocal中的哈希表是利用了循环数组的方式，进行环形的线性探测
在上述for循环中，会取出该Entry上的ThreadLocal对象（键）进行判断，若相同则直接覆盖，若为null，说明该Entry空间存在但其ThreadLocal对象的指向为null，需要进行调整；若都不成立，则继续循环，重复以上操作。

Entry空间指向存在但ThreadLocal对象的指向为null是因为Entry继承自WeakReference<ThreadLocal<?>>，是弱引用，存在被GC的情况，所以会存在这种情况，视为脏Entry，接下来的操作就是通过replaceStaleEntry进行处理。

 private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
                                        int staleSlot) {
     Entry[] tab = table;
     int len = tab.length;
     Entry e;

     int slotToExpunge = staleSlot;
     for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
          (e = tab[i]) != null;
          i = prevIndex(i, len))
         if (e.get() == null)
             slotToExpunge = i;

     for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
          (e = tab[i]) != null;
          i = nextIndex(i, len)) {
         ThreadLocal<?> k = e.get();

         if (k == key) {
             e.value = value;

             tab[i] = tab[staleSlot];
             tab[staleSlot] = e;

             if (slotToExpunge == staleSlot)
                 slotToExpunge = i;
             cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
             return;
         }

         if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
             slotToExpunge = i;
     }

     tab[staleSlot].value = null;
     tab[staleSlot] = new Entry(key, value);

     if (slotToExpunge != staleSlot)
         cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
 }

可以清楚看到第一个for循环前向遍历查找脏Entry，用slotToExpunge保存脏Entry下标；
第二个for循环后向遍历，若遇到ThreadLocal向同，更新value，然后与下标为staleSlot（传入进来的脏Entry）进行交换，接着判断前向查找脏Entry是否存在，slotToExpunge == staleSlot说明的就是前向查找没找到，就更改slotToExpunge的值，然后进行清理操作，结束掉；若后向遍历遇到脏Entry，并且前向没找到，更改slotToExpunge的值，为清理时用，继续循环。
若不存在和ThreadLocal引用相同的Entry，则需要将staleSlot的位置的Entry替换为一个新的Entry对象，tab[staleSlot].value = null是为了GC；
最后根据slotToExpunge来判断前向后向遍历中是否存在脏Entry，若存在还需要进行清理。

其中的expungeStaleEntry方法如下：

 private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
     Entry[] tab = table;
     int len = tab.length;

     // expunge entry at staleSlot
     tab[staleSlot].value = null;
     tab[staleSlot] = null;
     size--;

     // Rehash until we encounter null
     Entry e;
     int i;
     for (i = nextIndex(staleSlot, len);
          (e = tab[i]) != null;
          i = nextIndex(i, len)) {
         ThreadLocal<?> k = e.get();
         if (k == null) {
             e.value = null;
             tab[i] = null;
             size--;
         } else {
             int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
             if (h != i) {
                 tab[i] = null;

                 // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                 // null because multiple entries could have been stale.
                 while (tab[h] != null)
                     h = nextIndex(h, len);
                 tab[h] = e;
             }
         }
     }
     return i;
 }

可以看到，先把当前位置的脏Entry清除掉（置为null），size自减。然后从当前位置后向遍历，若遇到脏Entry直接清除，size自减；若不是脏Entry，则需要判断它是否经过哈希冲突的调整的，若调整过，需要将其重新调整，最后返回当前位置为null的table下标；综上，该方法就是后向清除脏Entry，再把调整需要调整的Entry。

在replaceStaleEntry方法中，调用expungeStaleEntry清除掉脏Entry后，还要用cleanSomeSlots方法清除掉返回回来的下标后的脏Entry；

cleanSomeSlots方法：

 private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
     boolean removed = false;
     Entry[] tab = table;
     int len = tab.length;
     do {
         i = nextIndex(i, len);
         Entry e = tab[i];
         if (e != null && e.get() == null) {
             n = len;
             removed = true;
             i = expungeStaleEntry(i);
         }
     } while ( (n >>>= 1) != 0);
     return removed;
 }

从下标为i后面的开始后向遍历，遇到脏Entry调用expungeStaleEntry清除掉，令removed为true，i会变为下标为null的位置，继续循环；其中n的用途是控制循环次数，当遇到脏Entry时，会令n等于表长，扩大搜索范围。

在set方法中，最后根据!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold，判断是否清理掉了脏Entry，若清理了什么都不做；若没有清理，还会判断是否达到阈值，进而是否需要rehash操作；

rehash方法：

 private void rehash() {
     expungeStaleEntries();

     // Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
     if (size >= threshold - threshold / 4)
         resize();
 }

首先调用expungeStaleEntries方法：

 private void expungeStaleEntries() {
     Entry[] tab = table;
     int len = tab.length;
     for (int j = 0; j < len; j++) {
         Entry e = tab[j];
         if (e != null && e.get() == null)
             expungeStaleEntry(j);
     }
 }

可以看到expungeStaleEntries方法是遍历整个哈希表，通过调用expungeStaleEntry方法清除掉所有脏Entry。
由于清除掉了脏Entry，还需要对size进行判断，看是否达到了阈值的3/4（提前触发resize），来判断是否真的需要resize；

resize方法：

 private void resize() {
     Entry[] oldTab = table;
     int oldLen = oldTab.length;
     int newLen = oldLen * 2;
     Entry[] newTab = new Entry[newLen];
     int count = 0;

     for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
         Entry e = oldTab[j];
         if (e != null) {
             ThreadLocal<?> k = e.get();
             if (k == null) {
                 e.value = null; // Help the GC
             } else {
                 int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                 while (newTab[h] != null)
                     h = nextIndex(h, newLen);
                 newTab[h] = e;
                 count++;
             }
         }
     }

     setThreshold(newLen);
     size = count;
     table = newTab;
 }

刚开始的操作可以清楚的明白，每次扩容的大小都是原来的两倍；然后遍历原表的所有Entry，遇到脏Entry直接赋值null引起帮助GC；遇到有效Entry则需要根据新的表长重新计算下标，再通过线性探测完成新表的填充；填充完毕，计算新的阈值，给size和table赋值，结束操作。

至此，有关set的操作就结束了，还剩下get和remove：

get方法:

 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();
 }

和set一样，先获取当前线程，再根据当前线程获取其ThreadLocalMap成员map；
若map不为null，通过map的getEntry方法得到Entry对象，若Entry不为null则直接返回Entry的value；
若map为null，或者map不为null，但是Entry是null，则都需要调用setInitialValue方法。

getEntry方法：

 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);
 }

根据ThreadLocal定位哈希表的下标，若满足则直接返回，若不是，调用getEntryAfterMiss继续找。

getEntryAfterMiss方法：

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

     while (e != null) {
         ThreadLocal<?> k = e.get();
         if (k == key)
             return e;
         if (k == null)
             expungeStaleEntry(i);
         else
             i = nextIndex(i, len);
         e = tab[i];
     }
     return null;
 }

看以看到这还是一个后向遍历的查找，若是找到则直接返回；若遇到脏Entry需要调用expungeStaleEntry方法清理掉；最后还没找到返回null。

setInitialValue方法：

 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;
 }

先调用initialValue方法，该方法需要使用者进行覆盖，否则返回的是null。所以当没有使用set方法时覆盖initialValue方法时还是会调用set方法的，效果是一样的。

 protected T initialValue() {
         return null;
 }

后面的操作就和set方法一样。get方法至此结束。

remove方法：

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

以当前线程为参数调用getMap方法：

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

若是当前线程的ThreadLocalMap对象不存在，什么都不做，若存在，调用内部的remove方法：

 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) {
             e.clear();
             expungeStaleEntry(i);
             return;
         }
     }
 }

首先根据ThreadLocal找到其对应的的哈希表的下标（不一定是它的下标，会有哈希冲突的可能性），然后开始后向遍历，找到真正的位置，调用clear方法删除掉，顺便还进行脏Entry的清理。

clear方法是Reference类的方法：

 public void clear() {
     this.referent = null;
 }

可以看到仅仅只是令指向变为null，因为Reference是WeakReference的父类，ThreadLocalMap继承自WeakReference<ThreadLocal<?>>，弱引用变为null，就会变成脏Entry，所以就需要expungeStaleEntry对其清理。为什么不令tab[i]直接为null，就是因为在expungeStaleEntry执行时还会清理遇到的脏Entry，这样可以尽可能多的删除掉脏Entry。

ThreadLocal源码分析到此结束。