Java多线程 - 深入解析ThreadLocal 详解、实现原理、使用场景方法以及内存泄漏防范
内容导读
互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了Java多线程 - 深入解析ThreadLocal 详解、实现原理、使用场景方法以及内存泄漏防范，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含13470字，纯文字阅读大概需要20分钟。
内容图文
1. 简介
从名称看，ThreadLocal 也就是thread和local的组合，也就是一个thread有一个local的变量副本
ThreadLocal提供了线程的本地副本，也就是说每个线程将会拥有一个自己独立的变量副本
方法简洁干练，类信息以及方法列表如下
2. 示例
在测试类中定义了一个ThreadLocal变量，用于保存String类型数据,创建了两个线程，分别设置值，读取值，移除后再次读取
class T21 {
//定义ThreadLocal变量
static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
//thread1中设置值
threadLocal.set("this is thread1's local");
//获取值
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": threadLocal value：" + threadLocal.get());
//移除值
threadLocal.remove();
//再次获取
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": after remove threadLocal value：" + threadLocal.get());
}, "thread1");
Thread thread2 = new Thread(() -> {
//thread2中设置值
threadLocal.set("this is thread2's local");
//获取值
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": threadLocal value：" + threadLocal.get());
//移除值
threadLocal.remove();
//再次获取
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": after remove threadLocal value：" + threadLocal.get());
}, "thread2");
thread1.start();
thread2.start();
}
}
结果:
从结果可以看得到，每个线程中可以有自己独有的一份数据，互相没有影响,remove之后，数据被清空
从上面示例也可以看出来一个情况：
如果两个线程同时对一个变量进行操作，互相之间是没有影响的，换句话说，这很显然并不是用来解决共享变量的一些并发问题，比如多线程的协作
因为ThreadLocal的设计理念就是共享变私有，都已经私有了，还谈啥共享？
比如之前的消息队列，生产者消费者的示例中
final LinkedList<Message> messageQueue = new LinkedList<>();
如果这个LinkedList是ThreadLocal的，生产者使用一个，消费者使用一个，还协作什么呢？
但是共享变私有，如同并发变串行，或许适合解决一些场景的线程安全问题，因为看起来就如同没有共享变量了，不共享即安全，但是他并不是为了解决线程安全问题而存在的
3. 实现分析
在Thread中有一个threadLocals变量，类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap
而ThreadLocalMap则是ThreadLocal的静态内部类，他是一个设计用来保存thread local 变量的自定义的hash map
所有的操作方法都是私有的，也就是不对外暴露任何操作方法，也就是只能在ThreadLocal中使用了
此处我们不深入，就简单理解为是一个hash map，用于保存键值对
也就是说Thread中有一个“hashMap”可以用来保存键值对
在这个方法中，接受参数，类型为T的value
首先获取当前线程，然后调用getMap(t）
这个方法也很简单，就是直接返回Thread内部的那个“hashMap”（threadLocals是默认的访问权限）
继续回到set方法，如果这个map不为空，那么以this为key，value为值，也就是ThreadLocal变量作为key
如果map为空，那么进行给这个线程创建一个map ，并且将第一组值设置进去，key仍旧是这个ThreadLocal变量
简言之：调用一个ThreadLocal的set方法，会将：以这个ThreadLocal类型的变量为key，参数为value的这一个键值对，保存在Thread内部的一个“hashMap”中
在get方法内部仍旧是获取当前线程的内部的这个“hashMap”，然后以当前对象this（ThreadLocal）作为key，进行值的获取
我们对这两个方法换一个思路理解：
每个线程可能运行过程中，可能会操作很多的ThreadLocal变量，怎么区分各自？
直观的理解就是，我们想要获取某个线程的某个ThreadLocal变量的值
一个很好的解决方法就是借助于Map进行保存，ThreadLocal变量作为key，local值作为value
假设这个map名为：threadLocalsMap，可以提供setter和getter方法进行设置和读取，内部为
threadLocalsMap.set（ThreadLocal key，T value）
threadLocalsMap.get（ThreadLocal key）
这样就是可以达到thread --- local的效果，但是是否存在一些使用不便？我们内部定义的是ThreadLocal变量，但是只是用来作为key的？是否直接通过ThreadLocal进行值的获取更加方便呢？
怎么能够做到数据读取的倒置？因为毕竟值的确是保存在Thread中的
其实也很简单，只需要内部进行转换就好了，对于下面两个方法，我们都需要 ThreadLocal key
threadLocalsMap.set（ThreadLocal key，T value）
threadLocalsMap.get（ThreadLocal key）
而这个key不就是这个ThreadLocal，不就是this 么
所以：
ThreadLocal.set（T value）就内部调用threadLocalsMap.set（this，T value）
ThreadLocal.get（）就内部调用threadLocalsMap.get（this）
所以总结下就是：
每个Thread内部保存了一个"hashMap"，key为ThreadLocal，这个线程操作了多少个ThreadLocal，就有多少个key
你想获取一个ThreadLocal变量的值，就是ThreadLocal.get（）,内部就是hashMap.get（this）;
你想设置一个ThreadLocal变量的值，就是ThreadLocal.set（T value），内部就是hashMap.set（this，value）;
关键只是在于内部的这个“hashMap”，ThreadLocal只是读写倒置的“壳”，可以更简洁易用的通过这个壳进行变量的读写
“倒置”的纽带，就是getMap（t）方法
remove方法
remove方法也是简单，当前线程，获取当前线程的hashMap，remove
初始值
再次回头看下get方法，如果第一次调用时，指定线程并没有threadLocals，或者根本都没有进行过set 会发生什么？
如下图所示，会调用setInitialValue方法
在setInitialValue方法中，会调用initialValue方法获取初始值，如果该线程没有threadLocals那么会创建，如果有，会使用这个初始值构造这个ThreadLocal的键值对
简单说，如果没有set过（或者压根内部的这个threadLocals就是null的），那么她返回的值就是初始值
这个内部的initialValue方法默认的返回null，所以一个ThreadLocal如果没有进行set操作，那么初始值为null
如何进行初始值的设定？
可以看得出来，这是一个protected方法，所以返回一个覆盖了这个方法的子类不就好了？在子类中实现初始值的设置
在ThreadLocal中提供了一个内部类SuppliedThreadLocal，这个内部类接受一个函数式接口Supplier作为参数，通过Supplier的get方法获取初始值
Supplier是一个典型的内置函数式接口，无入参，返回类型T，既然是函数式接口也就是可以直接使用Lambda表达式构造初始值了！！！
如何构造这个内部类，然后进而进行初始化参数的设置呢？
提供了withInitial方法，这个方法的参数就是Supplier类型，可以看到，这个方法将入参，透传给SuppliedThreadLocal的构造方法，直接返回一个SuppliedThreadLocal
换句话说，我们不是希望能够借助于ThreadLocal的子类，覆盖initialValue()方法，提供初始值吗？
这个withInitial就是能够达成目标的一个方法！
使用withInitial方法，创建具有初始值的ThreadLocal类型的变量，从结果可以看得出来，我们没有任何的设置，可以获取到值
稍作改动，增加了一次set和remove，从打印结果看得出来，set后，使用的值就是我们新设置的
而一旦remove之后，那么仍旧会使用初始值
注意：
对于initialValue方法的覆盖，其实即使没有提供这个子类以及这个方法也都是可以的，因为本质是要返回一个子类，并且覆盖了这个方法
我们可以自己做，也可以直接匿名类，如下所示:创建了一个ThreadLocal的子类，覆盖了initialValue方法
ThreadLocal <类型 > threadLocalHolder =new ThreadLocal <类型> () {
public 类型 initialValue() { return XXX; }
};
但是很显然，提供了子类和方法之后，我们就可以借助于Lambda表达式进行操作，更加简介
4. 总结
通过set方法可以进行值的设定
通过get方法可以进行值的读取，如果没有进行过设置，那么将会返回null；如果使用了withInitial方法提供了初始值，将会返回初始值
通过remove方法将会移除对该值的写入，再次调用get方法，如果使用了withInitial方法提供了初始值，将会返回初始值，否则返回null
对于get方法，很显然如果没有提供初始值，返回值为null，在使用时是需要注意不要引起NPE异常
ThreadLocal，thread local，每个线程一份，到底是什么意思？
他的意思是对于一个ThreadLocal类型变量，每个线程有一个对应的值，这个值的名字就是ThreadLocal类型变量的名字，值是我们set进去的变量
但是如果set设置的是共享变量，那么ThreadLocal其实本质上还是同一个对象不是么？
这句话如果有疑问的话，可以这么理解
对于同一个ThreadLocal变量a，每个线程有一个map，map中都有一个键值对，key为a，值为你保存的值
但是这个值，到底每个线程都是全新的？还是使用的同一个？这是你自己的问题了！！！
ThreadLocal可以做到每个线程有一个独立的一份值，但是你非得使用共享变量将他们设置成一个，那ThreadLocal是不会保障的
这就好比一个对象，有很多引用指向他，每个线程有一个独立的引用，但是对象根本还是只有一个
所以，从这个角度更容易理解，为什么说ThreadLocal并不是为了解决线程安全问题而设计的，因为他并不会为线程安全做什么保障，他的能力是持有多个引用，这多个引用是否能保障是多个不同的对象，你来决策
所以我们最开始说的，ThreadLocal会为每个线程创建一个变量副本的说法是不严谨的
是他有这个能力做到这件事情，但是到底是什么对象，还是要看你set的是什么，set本身不会对你的值进行干涉
不过我们通常就是在合适的场景下通过new对象创建，该对象在线程内使用，也不需要被别的线程访问
如下图所示，你放进去的是一个共享变量，他们就是同一个对象
5. 应用场景
前面说过，对于之前生产者消费者的示例中，就不适合使用ThreadLocal，因为问题模型就是要多线程之间协作，而不是为了线程安全就将共享变量私有化
比如，银行账户的存款和取款，如果借助于ThreadLocal创建了两个账户对象，就会有问题的，初始值500，明明又存进来1000块，可支配的总额还是500
那ThreadLocal适合什么场景呢？
既然是每个线程一个，自然是适合那种希望每个线程拥有一个的那种场景（好像是废话）
一个线程中一个，也就是线程隔离，既然是一个线程一个，那么同一个线程中调用的方法也就是共享了，所以说，有时，ThreadLocal会被用来作为参数传递的工具
因为它能够保障同一个线程中的值是唯一的，那么他就共享于所有的方法中，对于所有的方法来说，相当于一个全局变量了！
所以可以用来同一个线程内全局参数传递
不过要慎用，因为“全局变量”的使用对于维护性、易读性都是挑战，尤其是ThreadLocal这种线程隔离，但是方法共享的“全局变量”
如何保障必然是独立的一个私有变量？
对于ThreadLocal无初始化设置的变量，返回值为null
所以可以进行判断，如果返回值为null，可以进行对象的创建，这样就可以保障每个线程有一个独立的，唯一的，特有的变量
示例:
对于JavaWeb项目，大家都了解过Session
ps：此处不对session展开介绍，打开浏览器输入网址，这就会建立一个session，关闭浏览器，session就失效了
在这一个时间段内，一个用户的多个请求中，共享同一个session
Session 保存了很多信息，有的需要通过 Session 获取信息，有些又需要修改 Session 的信息
每个线程需要独立的session，而且很多地方都需要操作 Session，存在多方法共享 Session 的需求，所以session对象需要在多个方法中共享
如果不使用 ThreadLocal，可以在每个线程内创建一个 Session对象，然后在多个方法中将他作为参数进行传递
很显然，如果每次都显式的传递参数，繁琐易错
这种场景就适合使用ThreadLocal
下面的示例就模拟了多方法共享同一个session，但是线程间session隔离的示例
public class T24 {
/**
* session变量定义
*/
static ThreadLocal<Session> sessionThreadLocal = new ThreadLocal<>();
/**
* 获取session
*/
static Session getSession() {
if (null == sessionThreadLocal.get()) {
sessionThreadLocal.set(new Session());
}
return sessionThreadLocal.get();
}
/**
* 移除session
*/
static void closeSession() {
sessionThreadLocal.remove();
}
/**
* 模拟一个调用session的方法
*/
static void fun1(Session session) {
}
/**
* 模拟一个调用session的方法
*/
static void fun2(Session session) {
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
fun1(getSession());
fun2(getSession());
closeSession();
}).start();
}
/**
* 模拟一个session
*/
static class Session {
}
}
所以，ThreadLocal最根本的使用场景应该是：
在每个线程希望有一个独有的变量时（这个变量还很可能需要在同一个线程内共享）
避免每个线程还需要主动地去创建这个对象（如果还需要共享，也一并解决了参数来回传递的问题）
换句话说就是，“如何优雅的解决：线程间隔离与线程内共享的问题”，而不是说用来解决乱七八糟的线程安全问题
所以说如果有些场景你需要线程隔离，那么考虑ThreadLocal，而不是你有了什么线程安全问题需要解决，然后求助于ThreadLocal，这不是一回事
既然能够线程内共享，自然的确是可以用来线程内全局传参，但是不要滥用
再次注意：
ThreadLocal只是具有这样的能力，是你能够做到每个线程一个独有变量，但是如果你set时，不是传递的new出来的新变量，也就只是理解成“每个线程不同的引用”，对象还是那个对象（有点像参数传递时的值传递，对于对象传递的就是引用）
6. 内存泄漏
ThreadLocal很好地解决了线程数据隔离的问题，但是很显然，也引入了另一个空间问题
如果线程数量很多，如果ThreadLocal类型的变量很多，将会占用非常大的空间
而对于ThreadLocal本身来说，他只是作为key，数据并不会存储在它的内部，所以对于ThreadLocal
ThreadLocalMap内部的这个Entity的key是弱引用
如下图所示，实线表示强引用，虚线表示弱引用
对于真实的值是保存在Thread里面的ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals中的
借助于内部的这个map，通过“壳”ThreadLocal变量的get，可以获取到这个map的真正的值，也就是说，当前线程中持有对真实值value的强引用
而对于ThreadLocal变量本身，如下代码所示，栈中的变量与堆空间中的这个对象，也是强引用的
static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
不过对于Entity来说，key是弱引用
当一系列的执行结束之后，ThreadLocal的强引用也会消亡，也就是堆与栈之间的从ThreadLocal Ref到ThreadLocal的箭头会断开
由于Entity中，对于key是弱引用，所以ThreadLocal变量会被回收（GC时会回收弱引用）
而对于线程来说，如果迟迟不结束，那么就会一直存在：Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value的强引用，所以value迟迟得不到回收，就会可能导致内存泄漏
ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况，所以ThreadLocal的get(),set(),remove()的时候都会清除线程ThreadLocalMap里所有key为null的value
以get方法为例
一旦将value设置为null之后，就斩断了引用于真实内存之间的引用，就能够真正的释放空间，防止内存泄漏
但是这只是一种被动的方式，如果这些方法都没有被调用怎么办？
而且现在对于多线程来说，都是使用线程池，那个线程很可能是与应用程序共生死的，怎么办？
那你就每次使用完ThreadLocal变量之后，执行remove方法！！！！
从以上分析也看得出来，由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一样长，所以很可能导致内存泄漏，弱引用是相当于增加了一种防护手段
通过key的弱引用，以及remove方法等内置逻辑，通过合理的处理，减少了内存泄漏的可能，如果不规范，就仍旧会导致内存泄漏
7.总结
ThreadLocal可以用来优雅的解决线程间隔离的对象，必须主动创建的问题，借助于ThreadLocal无需在线程中显式的创建对象，解决方案很优雅
ThreadLocal中的set方法并不会保障的确是每个线程会获得不同的对象，你需要对逻辑进行一定的处理（比如上面的示例中的getSession方法，如果ThreadLocal 变量的get为null，那么new对象）
是否真的能够做到线程隔离，还要看你自己的编码实现，不过如果是共享变量，你还放到ThreadLocal中干嘛？
所以通常都是线程独有的对象，通过new创建
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