ThreadLocal 原理解析

基本概念和作用

在多线程编程中，线程隔离是一个常见的需求，ThreadLocal 就是为了解决这一问题而生。简而言之，ThreadLocal 是一个能够让变量在线程内部保持隔离的机制。每个线程都拥有自己的 ThreadLocal 对象副本，一个线程内的更新不会影响到其他线程。这种特性特别适合实现线程安全的“线程范围内”的数据存储。

ThreadLocal与线程同步机制的区别

与使用 synchronized 或 Lock 等线程同步机制确保变量在多线程之间安全访问的方式不同，ThreadLocal 提供了一种无锁的线程隔离机制。通过为每个线程提供独立的变量副本，从而消除了线程同步的需求，也就消除了性能上的考虑，因为不会存在线程竞争问题。

ThreadLocal的典型应用场景

用户身份信息存储，确保每个线程的用户信息不会相互干扰。
数据库连接管理，通过 ThreadLocal 确保每个线程拥有自己独立的数据库连接。
在框架开发中如 Spring 和 Hibernate 大量使用了 ThreadLocal 来实现线程安全。

实现原理

ThreadLocalMap和Entry

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的一个内部类，ThreadLocalMap 使用了一种特殊的 Entry 类型来存储键值对。这个 Entry 类型使用了弱引用（WeakReference）来引用 key，即 ThreadLocal 对象。而 value 则存储了存放在 ThreadLocal 中的实际对象。

Thread类

public class Thread implements Runnable {

    ...

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

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

    ...
}

从 Thread 源码中可以发现，Thread 类中存在 ThreadLocalMap 类型的成员变量，这样一个Map作为存储结构， Entry 的 key 是 ThreadLocal 对象的弱引用， value 是在该线程中ThreadLocal要存储的值。当调用 ThreadLocal 类的 get() 方法时，会在当前线程的成员变量 ThreadLocalMap 中查询 key （ ThreadLocal 对象弱引用）对应的 value 值。

弱引用好处与内存泄漏问题

假设在业务代码中使用完 ThreadLocal，threadLocalRef 被回收了，由于 ThreadLocalMap 只持有 ThreadLocal 的弱引用，没有任何强引用指向 threadlocal 实例，所以 threadlocal 就可以顺利被 GC 回收，此时 Entry 中的 key = null。但在没有手动删除这个 Entry 以及 CurrentThread 依然运行的前提下，仍存在有强引用链 threadRef -> currentThread -> threadLocalMap -> entry -> value，因此value 不会被回收，而这块 value 永远不会被访问到了，从而导致 value 内存泄漏的问题。要避免这个问题，就必须保证当不再需要存放在 ThreadLocal 中的对象时，显式调用 ThreadLocal 的 remove() 方法。

使用方法

创建ThreadLocal实例

private static final ThreadLocal<MyObject> threadLocalInstance = new ThreadLocal<>();

ThreadLocal 实例通常使用 static final 修饰是为了确保每个线程都可以访问到相同的 ThreadLocal 实例。由于 ThreadLocal 是线程本地变量，每个线程都需要访问相同的实例，因此使用 static final 修饰确保所有线程都可以共享相同的实例。

存取ThreadLocal中的值

// 存入值
threadLocalInstance.set(new MyObject());

// 取出值
MyObject myObject = threadLocalInstance.get();

// 移除值
threadLocalInstance.remove();

代码示例

public class ThreadLocalExample {
    private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();
    
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            threadLocal.set(1);
            printThreadLocalValue();
            threadLocal.remove();
        }).start();

        new Thread(() -> {
            threadLocal.set(2);
            printThreadLocalValue();
            threadLocal.remove();
        }).start();
    }
    
    private static void printThreadLocalValue() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + threadLocal.get());
    }
}

总结

使用注意事项

始终记得在不需要使用 ThreadLocal 存储的对象时，调用 remove() 方法来移除。
考虑到垃圾回收和内存泄漏的问题，合理使用 ThreadLocal。

优缺点

优点：

提供线程隔离以确保线程安全。
提升性能，因为不需要额外的同步措施。

缺点：

不当使用可能会导致内存泄漏。
可能会使代码的可读性和可维护性降低。

ThreadLocal 是并发编程中的一个强大工具，如果能够合理使用，并注意避免内存泄漏的问题，它将成为你的多线程程序中的利器。

基本概念和作用#

ThreadLocal与线程同步机制的区别#

ThreadLocal的典型应用场景#

实现原理#

ThreadLocalMap和Entry#

弱引用好处与内存泄漏问题#

使用方法#

创建ThreadLocal实例#

存取ThreadLocal中的值#

代码示例#

总结#

使用注意事项#

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