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源码|ThreadLocal的实现原理

ThreadLocal也叫“线程本地变量”、“线程局部变量”:

  • 其作用域覆盖线程,而不是某个具体任务;
  • 其“自然”的生命周期与线程的生命周期“相同”(但在JDK实现中比线程的生命周期更短,减少了内存泄漏的可能)。

ThreadLocal代表了一种线程与任务剥离的思想,从而达到线程封闭的目的,帮助我们设计出更“健康”(简单,美观,易维护)的线程安全类。

一种假象

ThreadLocal的使用方法往往给我们造成一种假象——变量封装在任务对象内部。

根据使用方法推测实现思路

我们在使用ThreadLocal对象的时候,往往是在任务对象内部声明ThreadLocal变量,如:

ThreedLocal<List> onlineUserList = …;

这也是此处说“从概念上”可以视作如此的原因。那么从这种使用方法的角度出发(逆向思维),让我们自然而然的认为,ThreadLocal变量是存储在任务对象内部的,那么实现思路如下:

class ThreadLocal<T>{
    private Map<Thread, T> valueMap = …;
    public T get(Object key){
        T realValue = valueMap.get(Thread.currentThread())
        return realValue;
    }
}

存在问题

但是这样实现存在一个问题:

  • 线程死亡之后,任务对象可能仍然存在(这才是最普遍的情况),从而ThreadLocal对象仍然存在。我们不能要求线程在死亡之前主动删除其使用的ThreadLocal对象,所以valueMap中该线程对应的entry(<key, realValue>)无法回收;

问题的本质在于,这种实现“将线程相关的域封闭于任务对象,而不是线程中”。所以ThreadLocal的实现中最重要的一点就是——“将线程相关的域封闭在当前线程实例中”,虽然域仍然在任务对象中声明、set和get,却与任务对象无关。

源码分析

下面从源码中分析ThreadLocal的实现。

逆向追踪源码

首先观察看ThreadLocal类的源码,找到构造函数:

    /**
     * Creates a thread local variable.
     * @see #withInitial(java.util.function.Supplier)
     */
    public ThreadLocal() {
    }

空的。

直接看set方法:

    /**
     * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
     * to the specified value.  Most subclasses will have no need to
     * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
     * method to set the values of thread-locals.
     *
     * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
     *        this thread-local.
     */
    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value); // 使用this引用作为key,既做到了变量相关,又满足key不可变的要求。
        else
            createMap(t, value);
    }

设置value时,要根据当前线程t获取一个ThreadLocalMap类型的map,真正的value保存在这个map中。这验证了之前的一部分想法——ThreadLocal变量保存在一个“线程相关”的map中。

进入getMap方法:

    /**
     * Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
     * InheritableThreadLocal.
     *
     * @param  t the current thread
     * @return the map
     */
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

可以看到,该map实际上保存在一个Thread实例中,也就是之前传入的当前线程t。

观察Thread类的源码,确实存在着threadLocals变量的声明:

    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

在这种实现中,ThreadLocal变量已经达到了文章开头的提出的基本要求:

  • 其作用域覆盖线程,而不是某个具体任务
  • 其“自然”的生命周期与线程的生命周期“相同”

如果是面试的话,一般分析到这里就可以结束了。

进阶

希望进一步深入,可以继续查看ThreadLocal.ThreadLocalMap类的源码:

    /**
     * ThreadLocalMap is a customized hash map suitable only for
     * maintaining thread local values. No operations are exported
     * outside of the ThreadLocal class. The class is package private to
     * allow declaration of fields in class Thread.  To help deal with
     * very large and long-lived usages, the hash table entries use
     * WeakReferences for keys. However, since reference queues are not
     * used, stale entries are guaranteed to be removed only when
     * the table starts running out of space.
     */
    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); // 使用了WeakReference中的key
                value = v;
            }
        }

        /**
         * The initial capacity -- MUST be a power of two.
         */
        private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

        /**
         * The table, resized as necessary.
         * table.length MUST always be a power of two.
         */
        private Entry[] table;

        /**
         * The number of entries in the table.
         */
        private int size = 0;

可以看到,虽然ThreadLocalMap没有实现Map接口,但也具有常见Map实现类的大部分属性(与HashMap不同,hash重复时在table里顺序遍历)。

重要的是Entry的实现。Entry继承了一个ThreadLocal泛型的WeakReference引用。

  1. ThreadLocal说明了Entry的类型,保存的是ThreadLocal变量。
  2. WeakReference是为了方便垃圾回收。

WeakReference与内存泄露

仍然存在的内存泄露

现在,我们已经很好的“将线程相关的域封闭在当前线程实例中”,如果线程死亡,线程中的ThreadLocalMap实例也将被回收。

看起来一切都那么美好,但我们忽略了一个很严重的问题——如果任务对象结束而线程实例仍然存在(常见于线程池的使用中,需要复用线程实例),那么仍然会发生内存泄露。我们可以建议广大Javaer手动remove声明过的ThreadLocal变量,但这种回归C++的语法是不能被Javaer接受的;另外,要求我猿记住声明过的变量,简直比约妹子吃饭还困难

使用WeakReference减少内存泄露

对ThreadLocal源码的分析让我第一次了解到WeakReference的作用的使用方法。

对于弱引用WeakReference,当一个对象仅仅被弱引用指向, 而没有任何其他强引用StrongReference指向的时候, 如果GC运行, 那么这个对象就会被回收。

在ThreadLocal变量的使用过程中,由于只有任务对象拥有ThreadLocal变量的强引用(考虑最简单的情况),所以任务对象被回收后,就没有强引用指向ThreadLocal变量,ThreadLocal变量也就会被回收。

之所以这里说“减少内存泄露”,是因为单纯使用WeakReference仅仅解决了问题的前半部分。

进一步减少内存泄露

尽管现在使用了弱引用,ThreadLocalMap中仍然会发生内存泄漏。原因很简单,ThreadLocal变量只是Entry中的key,所以Entry中的key虽然被回收了,Entry本身却仍然被引用

为了解决这后半部分问题,ThreadLocalMap在它的getEntry、set、remove、rehash等方法中都会主动清除ThreadLocalMap中key为null的Entry

这样做已经可以大大减少内存泄露的可能,但如果我们声明ThreadLocal变量后,再也没有调用过上述方法,依然会发生内存泄露。不过,现实世界中线程池的容量总是有限的,所以这部分泄露的内存并不会无限增长;另一方面,一个大量线程长期空闲的线程池(这时内存泄露情况可能比较严重),也自然没有存在的必要,而一旦使用了线程,泄露的内存就能够被回收。因此,我们通常认为这种内存泄露是可以“忍受”的

同时应该注意到,这里将ThreadLocal对象“自然”的生命周期“收紧”了一些,从而比线程的生命周期更短。

其他内存泄露情况

还有一种较通用的内存泄露情况:使用static关键字声明变量

使用static关键字延长了变量的生命周期,可能导致内存泄露。对于ThreadLocal变量也是如此。

更多内存泄露的分析可参见ThreadLocal 内存泄露的实例分析,这里不再展开。

参考:
ThreadLocal 源码剖析
深入分析 ThreadLocal 内存泄漏问题


本文链接:源码|ThreadLocal的实现原理
作者:猴子007
出处:https://monkeysayhi.github.io
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