ThreadLocal,即线程局部变量,用来为每一个使用它的线程维护一个独立的变量副本。这种变量只在线程的生命周期内有效。并且与锁机制那种以时间换取空间的做法不同,ThreadLocal没有任何锁机制,它以空间换取时间的方式保证变量的线程安全。

  本篇从源码方面分析ThreadLocal的实现原理。

  

  先看一下ThreadLocal类图结构

  

  SuppliedThreadLocal主要是JDK1.8用来扩展对Lambda表达式的支持,有兴趣的自行百度。

  ThreadLocalMap是ThreadLocal的静态内部类,也是实际保存变量的类。

  Entry是ThreadLocalMap的静态内部类。ThreadLocalMap持有一个Entry数组,以ThreadLocal为key,变量为value,封装一个Entry。

  

  下面以一张图简要说明Thread,ThreadLocal,ThreadLocalMap和Entry的关系。

  

  说明一下上图:

  1. 一个Thread拥有一个ThreadLocalMap对象
  2. ThreadLocalMap拥有一个Entry数组
  3. 每个Entry都有k--v
  4. Entry的key就是某个具体的ThreadLocal对象

  下面分析主要方法。

  1、set()

public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}

  这里可以看出:一个Thread只拥有一个ThreadLocalMap对象;具体存值调用的是ThreadLocalMap的set(),传入的参数key就是当前ThreadLocal对象。

  再看看ThreadLocalMap的set()方法:

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]; // 2
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); // 3
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) // 4
rehash();
}
  1. 通过key的hashCode与数组容量 -1 取模,计算数组index
  2. 从当前index开始遍历,清除key为null的无效Entry
  3. 将K-V封装为Entry,并放入数组
  4. 判断是否需要进行Entry数组扩容。threshold的值为数组容量的2/3。

  看看扩容的resize()方法:

private void resize() {
Entry[] oldTab = table;
int oldLen = oldTab.length;
int newLen = oldLen * ;
Entry[] newTab = new Entry[newLen];
int count = ; for (int j = ; 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 - );
while (newTab[h] != null)
h = nextIndex(h, newLen);
newTab[h] = e;
count++;
}
}
} setThreshold(newLen);
size = count;
table = newTab;
}

  这里主要就是扩容为原先的2倍。然后遍历旧数组,根据新数组容量重新计算Entry在新数组中的位置。

  2、get()

  ThreadLocal的get()方法如下:

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();
}

  ThreadLocalMap的getEntry()方法如下:

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - ); // 1
Entry e = table[i];
if (e != null && e.get() == key) // 2
return e;
else
return getEntryAfterMiss(key, i, e); //3
} private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length; while (e != null) { //4
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key)
return e;
if (k == null)
expungeStaleEntry(i);
else
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
return null;
}
  1. 计算index
  2. 当前index上的Entry不为空且key相同,直接返回
  3. 否则去相邻index寻找
  4. 循环查找,发现无效key就清除。找到就结束循环。

3、remove()

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-);
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
if (e.get() == key) {
e.clear();
expungeStaleEntry(i);
return;
}
}
}

  处理方式和查找保存类似,删除对应Entry后都会去除key为null的无效元素。

注意

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {}

  ThreadLocal可能存在OOM问题。因为ThreadLocalMap是使用ThreadLocal的弱引用作为key的,发生GC时,key被回收,这样我们就无法访问key为null的value元素,如果value本身是较大的对象,那么线程一直不结束的话,value就一直无法得到回收。特别是在我们使用线程池时,线程是复用的,不会杀死线程,这样ThreadLocal弱引用被回收时,value不会被回收。

  在使用ThreadLocal时,线程逻辑代码结束时,必须显示调用ThreadLocal.remove()方法。

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