并發編程之：ThreadLocal-有解無憂

大家好，我是小黑，一個在互聯網茍且偷生的農民工，

從前上一期【并發編程之：synchronized】我們學到要保證在并發情況下對于共享資源的安全訪問，就需要用到鎖，

但是，加鎖通常情況下會讓運行效率降低，那有什么辦法可以徹底避免對共享資源的競爭，同時又可以不影響效率呢？答案就是小黑今天要和大家講的ThreadLocal，

ThreadLocal是什么？

該類提供了執行緒區域 (thread-local) 變數，這些變數不同于它們的普通對應物，因為訪問某個變數（通過其 get 或 set 方法）的每個執行緒都有自己的區域變數，它獨立于變數的初始化副本，ThreadLocal 實體通常是類中的 private static 欄位，它們希望將狀態與某一個執行緒（例如，用戶 ID 或事務 ID）相關聯，

以上來源官方API，大概可以總結為兩點：

ThreadLocal提供get/set方法，可以訪問屬于當前執行緒的變數，也就是可以保證每個執行緒的變數不一樣，
ThreadLocal使用時通常定義為private static的，

從字面意思理解，可能會將ThreadLocal認為是本地執行緒，其實ThreadLocal并不是執行緒，而是執行緒Thread的區域變數，

如何使用

首先，定義一個private static的ThreadLocal物件，

private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

然后每個執行緒可以將當前執行緒需要存放在區域變數中，并且可以從中獲取，

public void setAndGet(String name) {
    threadLocal.set(name);
    String s = threadLocal.get();
}

最后在使用完之后，需要將ThreadLocal中的值移除，

public void remove() {
    threadLocal.remove();
}

原理

那么ThreadLocal是如何做到保證每個執行緒get出來的資料不一樣的呢？我們通過原始碼來看一下，

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 通過當前執行緒獲取出來一個ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

我們發現在set方法中，會創建一個ThreadLocalMap，然后將要設定的值放在這個Map中，而當前這個ThreadLocal物件作為key；

然后再將這個ThreadLocalMap賦值給Thread的threadLocals里，如果去看Thread類的代碼會發現，在Thread類中存在兩個變數threadLocals和inheritableThreadLocals，它們的型別就是ThreadLocal.ThreadLocalMap，通過下圖可以看出Thread，ThreadLocal，ThreadLocalMap三者的關系，

這時候我們再看看get()和remove()方法的代碼，

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

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

可以看出來，和我們上面圖中的結構一樣，get()方法就是從Thread中取出來ThreadLocalMap，然后通過ThreadLocal物件作為Key取出值；remove()方法則是取出ThreadLocalMap將ThreadLocal對應的資料移除，

那么ThreadLocalMap到底是什么呢？是java.util.Map介面的子類嗎？我們來看原始碼，

static class ThreadLocalMap {
        
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        /** The value associated with this ThreadLocal. */
        Object value;
        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = https://www.cnblogs.com/heiz123/p/v;
        }
    }
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
    private Entry[] table;
    private int size = 0;
    private int threshold; // Default to 0
    // 省略其他代碼
}

通過原始碼發現，ThreadLocalMap并沒有實作Map介面，也沒有集成其他任何的Map類，是定義在ThreadLocal類中的一個靜態內部類，而它的結構和HashMap結構極其相似，有一個Entry[]陣列存放資料，而這個Entry類是繼承自WeakReference類的子類，這一點和HashMap有所不同，

ThreadLocalMap和HashMap結構有很多不同，但是還有一點和HashMap不一樣，我們來看一下ThreadLocalMap的set方法，

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 計算key對應放在tab中的下標
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    //回圈遍歷tab,首先獲取到下標i對應的物件，如果不為空,則執行回圈體
    // 如果不是相同的threadLocal或者位置失效，則要尋找下一個位置，
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
	    // 判斷與當前ThreadLocal是否是同一個物件，如果是則進行值替換，結束
        if (k == key) {
            e.value = https://www.cnblogs.com/heiz123/p/value;
            return;
        }
		// 如果k==null代表threadLocal的key失效了，將失效的key進行替換
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

代碼中回圈遍歷tab,首先獲取到下標i對應的物件，如果不為空,則執行回圈體，如果在回圈體中的兩個條件都不滿足，則會執行nextIndex()方法，這個方法的代碼如下：

private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

這個方法的邏輯就是開放尋址法，而HashMap則是通過拉鏈法和rehash來做的，

哪些場景使用

通過上面的內容基本可以掌握ThreadLocal的基本用法，那么ThreadLocal主要在什么場景中使用呢，

ThreadLocal的作用通過以上了解我們知道主要是用來做執行緒間資料隔離，那么在什么場景下能用到執行緒隔離呢？

首先想到的就是SimpleDateFormat這個工具類，它不是執行緒安全的，可以通過ThreadLocal在每個執行緒中放一份，保證執行緒安全，

還有比如說用戶登錄的session，或者token資料，只資料當前會話執行緒，也可以通過ThreadLocal存盤，

再比如在某些場景下，背景關系資料在不同方法之間呼叫，傳遞起來非常麻煩，可以通過ThreadLocal存放，只需要在需要用到的地方獲取就可以，

除了這些場景，在某些框架原始碼中也會使用到，比如Spring中的事務也主要是通過ThreadLocal和面向切面編程AOP實作的，感興趣的同學可以查看原始碼了解，

避免踩坑

記憶體泄漏

ThreadLocalMap中的Entry的Key是一個弱參考，因此如果在使用后不呼叫remove方法清除掉會導致對應的value記憶體泄漏，所以在使用完以后一定要記得呼叫remove方法清除資料，

好的，今天的內容就到這里，我們下期再見，
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標籤：Java

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