ThreadLocal的使用及原理解析

# 基本使用

JDK的lang包下提供了ThreadLocal类，我们可以使用它创建一个线程变量，线程变量的作用域仅在于此线程内。<br />用2个示例来展示一下ThreadLocal的用法。

**示例一：**
```java
ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();

System.out.println(threadLocal.get());
threadLocal.set(1);
System.out.println(threadLocal.get());
threadLocal.remove();
System.out.println(threadLocal.get());
```
输出：
```powershell
null
1
null
```

这个示例展示了ThreadLocal提供的所有方法，ThreadLocal中提供了三个方法，分别是：

- get：获取变量值
- set：设置变量值
- remove：删除变量值

**示例二：**
```java
//    创建一个MyRun类
class MyRun implements Runnable {

//    创建2个线程变量，var1、var2
    private ThreadLocal<Integer> var1 = new ThreadLocal<>();
    private ThreadLocal<String> var2 = new ThreadLocal<>();

@Override
    public void run() {
        //    循环调用m方法5次
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            m();
        }
    }

public void m() {
        //    当前线程名称
        String name = Thread.currentThread().getName();

//    var1变量从1开始，m每次调用递增1
        Integer v = var1.get();
        if(v == null) {
            var1.set(1);
        }else {
            var1.set(v + 1);
        }

//    var2变量 = 线程名 - var1值
        var2.set(name + "-" + var1.get());

//    打印
        print();
    }

public void print() {
        String name = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println(name + ", var1: " + var1.get() + ", var2: " + var2.get());
    }
}
```

创建2个线程，执行同一个MyRun：
```java
MyRun myRun = new MyRun();
Thread t1 = new Thread(myRun);
Thread t2 = new Thread(myRun);
t1.start();
t2.start();
```
输出：
```powershell
Thread-0, var1: 1, var2: Thread-0-1
Thread-1, var1: 1, var2: Thread-1-1
Thread-0, var1: 2, var2: Thread-0-2
Thread-1, var1: 2, var2: Thread-1-2
Thread-0, var1: 3, var2: Thread-0-3
Thread-1, var1: 3, var2: Thread-1-3
Thread-0, var1: 4, var2: Thread-0-4
Thread-0, var1: 5, var2: Thread-0-5
Thread-1, var1: 4, var2: Thread-1-4
Thread-1, var1: 5, var2: Thread-1-5
```

示例二展示了ThreadLocal的重要特点：<br />两个线程执行的是同一个MyRun对象，如果var1、var2是普通的成员变量，两个线程访问的将是同一个变量，这将会产生线程安全问题，然而从输出日志看来，t1、t2的var1、var2值其实是独立的，互不影响的。

这是因为var1、var2是ThreadLocal类型，即是线程变量，它是绑定在线程上的，哪个线程来访问这段代码，就从哪个线程上获取var1、var2变量值，线程与线程之间是相互隔离的，因此也不存在线程安全问题。

# 原理解析

ThreadLocal是如何实现这个效果的呢？<br />我们可以从ThreadLocal的源代码中一探究竟。

其中，最关键是get方法，我将get相关的源代码都提取出来如下：
```java
public T get() {
    //    获取当前线程对象
    Thread t = Thread.currentThread();
    //    从当前线程中获取ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    
    if (map != null) {
        //    从ThreadLocalMap对象中获取当前ThreadLocal对应Entry
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            //    若Entry不为null，返回值
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    
    //    如果获取ThreadLocalMap对象为null则返回默认值
    return setInitialValue();
}

//    从指定线程对象获取ThreadLocalMap，也就是Thread中的threadLocals
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

//    默认值
private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    
    if (map != null)
        map.set(this, value);//      如果当前线程的threadLocals不为null，则赋默认值
    else
        createMap(t, value);  //    如果当前线程的threadLocals为null，则新建
    return value;
}

void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

protected T initialValue() {
    return null;  //  初始值是null
}

```

从以上这段代码可以看出，ThreadLocal访问的实际上是当前线程的成员变量threadLocals。<br />threadLocals的数据类型是ThreadLocalMap，这是JDK中专门为ThreadLocal设计的数据结构，它本质就是一个键值对类型。<br />ThreadLocalMap的键存储的是当前ThreadLocal对象，值是ThreadLocal对象实际存储的值。<br />当用ThreadLocal对象get方法时，它实际上是从当前线程的threadLocals获取键为当前ThreadLocal对象所对应的值。

画张图来辅助一下理解：<br />

清楚了ThreadLocal的get原理，set和remove方法不需要看源码也能猜出是怎么写的。<br />无非是以ThreadLocal对象为键设置其值或删除键值对。

# ThreadLocal的初始值

上面的介绍，我们看到ThreadLocal的initialValue方法永远都是返回null的：
```java
protected T initialValue() {
    return null;  //  初始值是null
}
```

如果想要设定ThreadLocal对象的初始值，可以用以下方法：
```java
ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(()->1);
System.out.println(threadLocal.get());
```
withInitial方法内实际返回的是一个ThreadLocal子类SuppliedThreadLocal对象。<br />SuppliedThreadLocal重写了ThreadLocal的initialValue方法。
```java
static final class SuppliedThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {

private final Supplier<? extends T> supplier;

SuppliedThreadLocal(Supplier<? extends T> supplier) {
        this.supplier = Objects.requireNonNull(supplier);
    }

@Override
    protected T initialValue() {
        return supplier.get();
    }
}
```

# 获取父线程的ThreadLocal变量

在一些场景下，我们可能需要子线程能获取到父线程的ThreadLocal变量，但使用ThreadLocal是无法获取到的：
```java
public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();

public static void main(String[] args) {
    threadLocal.set(1);
    System.out.println(threadLocal.get());

Thread childThread = new Thread(() -> System.out.println(threadLocal.get()));
    childThread.start();
}
```
输出：
```powershell
1
null
```

使用ThreadLocal的子类**InheritableThreadLocal**可以达到这个效果：
```java
public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new InheritableThreadLocal<>();

public static void main(String[] args) {
    threadLocal.set(1);
    System.out.println(threadLocal.get());

Thread childThread = new Thread(() -> System.out.println(threadLocal.get()));
    childThread.start();
}
```
```powershell
1
1
```

**InheritableThreadLocal是怎么做到的呢？**

我们来分析一下InheritableThreadLocal的源代码。
```java
public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
    
    protected T childValue(T parentValue) {
        return parentValue;
    }

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

void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }
}
```
InheritableThreadLocal的源代码并不多，主要是**覆盖了ThreadLocal的三个方法childValue、getMap、createMap。**<br />childValue方法用于ThreadLocalMap内部使用，我们不打算讲解ThreadLocalMap内部设计，这里可以忽略；<br />ThreadLocal本来getMap、createMap读写的是当前Thread对象的threadLocals变量。<br />而InheritableThreadLocal将其改为了读写当前Thread对象的InheritableThreadLocal变量。

接着我们要从Thread类的源码查找头绪。

Thread类源代码中，我们可以看到有这么2个成员变量：
```java
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
```
**如果是使用ThreadLocal创建线程变量，读写的是Thread对象的threadLocals；**<br />**如果是使用InheritableThreadLocal创建线程变量，读写的是Thread对象的inheritableThreadLocals。**

在Thread类的init方法可以看到（Thread所有构造方法都是调用init方法，这边仅贴出关键部分）：
```java
if (parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
```
ThreadLocal.createInheritedMap：
```java
static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) {
    return new ThreadLocalMap(parentMap);
}
```
**如果父级线程的inheritableThreadLocals不为null，那么将父级线程的inheritableThreadLocals赋值到当前线程的inheritableThreadLocals变量。**

总结：当使用InheritableThreadLocal创建线程变量时，父线程读写线程变量实际是写入父线程的inheritableThreadLocals中，在创建子线程时，会将父线程的inheritableThreadLocals复制给子线程的inheritableThreadLocals，子线程操作此线程变量时，也是读写自己线程的inheritableThreadLocals，这就达到了子线程可以获取父线程ThreadLocal的效果。

# 其他要点

- 如果使用了线程池，线程是会被复用的，因此线程的threadLocals和inheritableThreadLocals也会复用，在线程池使用ThreadLocal可能会产生一些问题，需要留意；
- JDK本身提供创建线程池的方法，是不支持获得父级线程的ThreadLocal变量的。