Java中的ThreadLocal深入理解

提到ThreadLocal，有些Android或者Java程序员可能有所陌生，可能会提出种种问题，它是做什么的，是不是和线程有关，怎么使用呢？等等问题，本文将总结一下我对ThreadLocal的理解和认识，希望让大家理解ThreadLocal更加透彻一些。

ThreadLocal是什么

ThreadLocal是一个关于创建线程局部变量的类。

通常情况下，我们创建的变量是可以被任何一个线程访问并修改的。而使用ThreadLocal创建的变量只能被当前线程访问，其他线程则无法访问和修改。

Global && Local

上面的两个修饰看似矛盾，实则不然。

Global 意思是在当前线程中，任何一个点都可以访问到ThreadLocal的值。
Local 意思是该线程的ThreadLocal只能被该线程访问，一般情况下其他线程访问不到。

用法简介

创建，支持泛型

ThreadLocal<String> mStringThreadLocal = new ThreadLocal<>();

set方法

mStringThreadLocal.set("droidyue.com");

get方法

mStringThreadLocal.get();

完整的使用示例

private void testThreadLocal() {
    Thread t = new Thread() {
        ThreadLocal<String> mStringThreadLocal = new ThreadLocal<>();

        @Override
        public void run() {
            super.run();
            mStringThreadLocal.set("droidyue.com");
            mStringThreadLocal.get();
        }
    };

    t.start();
}

ThreadLocal初始值

为ThreadLocal设置默认的get初始值，需要重写initialValue方法，下面是一段代码，我们将默认值修改成了线程的名字

ThreadLocal<String> mThreadLocal = new ThreadLocal<String>() {
    @Override
    protected String initialValue() {
      return Thread.currentThread().getName();
    }
};

Android中的应用

在Android中，Looper类就是利用了ThreadLocal的特性，保证每个线程只存在一个Looper对象。

static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
    if (sThreadLocal.get() != null) {
        throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
    }
    sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}

如何实现

为了更好的掌握ThreadLocal，我认为了解其内部实现是很有必要的，这里我们以set方法从起始看一看ThreadLocal的实现原理。

下面是ThreadLocal的set方法，大致意思为

首先获取当前线程
利用当前线程作为句柄获取一个ThreadLocalMap的对象
如果上述ThreadLocalMap对象不为空，则设置值，否则创建这个ThreadLocalMap对象并设置值

源码如下

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

下面是一个利用Thread对象作为句柄获取ThreadLocalMap对象的代码

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

上面的代码获取的实际上是Thread对象的threadLocals变量，可参考下面代码

class Thread implements Runnable {
    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */

    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

而如果一开始设置，即ThreadLocalMap对象未创建，则新建ThreadLocalMap对象，并设置初始值。

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

总结：实际上ThreadLocal的值是放入了当前线程的一个ThreadLocalMap实例中，所以只能在本线程中访问，其他线程无法访问。

对象存放在哪里

在Java中，栈内存归属于单个线程，每个线程都会有一个栈内存，其存储的变量只能在其所属线程中可见，即栈内存可以理解成线程的私有内存。而堆内存中的对象对所有线程可见。堆内存中的对象可以被所有线程访问。

问：那么是不是说ThreadLocal的实例以及其值存放在栈上呢？

其实不是，因为ThreadLocal实例实际上也是被其创建的类持有（更顶端应该是被线程持有）。而ThreadLocal的值其实也是被线程实例持有。

它们都是位于堆上，只是通过一些技巧将可见性修改成了线程可见。

关于堆和栈的比较，请参考Java中的堆和栈的区别

真的只能被一个线程访问么

既然上面提到了ThreadLocal只对当前线程可见，是不是说ThreadLocal的值只能被一个线程访问呢？

使用InheritableThreadLocal可以实现多个线程访问ThreadLocal的值。

如下，我们在主线程中创建一个InheritableThreadLocal的实例，然后在子线程中得到这个InheritableThreadLocal实例设置的值。

private void testInheritableThreadLocal() {
    final ThreadLocal threadLocal = new InheritableThreadLocal();
    threadLocal.set("droidyue.com");
    Thread t = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            super.run();
            Log.i(LOGTAG, "testInheritableThreadLocal =" + threadLocal.get());
        }
    };

    t.start();
}

上面的代码输出的日志信息为

I/MainActivity( 5046): testInheritableThreadLocal =droidyue.com

使用InheritableThreadLocal可以将某个线程的ThreadLocal值在其子线程创建时传递过去。因为在线程创建过程中，有相关的处理逻辑。

//Thread.java
 private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc) {
        //code goes here
        if (parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
        /* Stash the specified stack size in case the VM cares */
        this.stackSize = stackSize;

        /* Set thread ID */
        tid = nextThreadID();
}

上面代码就是在线程创建的时候，复制父线程的inheritableThreadLocals的数据。

会导致内存泄露么

有网上讨论说ThreadLocal会导致内存泄露，原因如下

首先ThreadLocal实例被线程的ThreadLocalMap实例持有，也可以看成被线程持有。
如果应用使用了线程池，那么之前的线程实例处理完之后出于复用的目的依然存活
所以，ThreadLocal设定的值被持有，导致内存泄露。

上面的逻辑是清晰的，可是ThreadLocal并不会产生内存泄露，因为ThreadLocalMap做选择key的时候，并不是直接选择ThreadLocal实例，而是ThreadLocalMap实例的弱引用。

static class ThreadLocalMap {

/**
* The entries in this hash map extend WeakReference, using
* its main ref field as the key (which is always a
* ThreadLocal object).  Note that null keys (i.e. entry.get()
* == null) mean that the key is no longer referenced, so the
* entry can be expunged from table.  Such entries are referred to
* as "stale entries" in the code that follows.
*/
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        /** The value associated with this ThreadLocal. */
        Object value;

        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }
}

所以实际上从ThreadLocal设计角度来说是不会导致内存泄露的。关于弱引用，了解更多，请访问译文：理解Java中的弱引用

使用场景

实现单个线程单例以及单个线程上下文信息存储，比如交易id等
实现线程安全，非线程安全的对象使用ThreadLocal之后就会变得线程安全，因为每个线程都会有一个对应的实例
承载一些线程相关的数据，避免在方法中来回传递参数

参考文章