深入了解ThreadLocal底层原理-高并发架构

什么是ThreadLocal

• 全称thread local variable（线程局部变量）功用非常简单，使用场合主要解决多线程中数据因并发产生不一致问题
• ThreadLocal 为每一个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某时间访问到的并不是同一个对象
• 这样就隔离了多个线程对数据的数据共享，这样的结果是耗费了内存
• 但是大大减少了线程同步所带来性能消耗，也减少了线程并发控制的复杂度
• 总结概括起来就是：同个线程共享数据
• 注意：ThreadLocal不能使用原子类型，只能使用Object类型

应用场景

• ThreadLocal 用作每个线程内需要独立保存信息，方便同个线程的其他方法获取该信息的场景
• 每个线程获取到的信息可能都是不一样的，前面执行的方法保存了信息后，后续方法可以通过ThreadLocal 直接获取到
• 避免了传参，类似于全局变量的概念
  • 比如用户登录令牌解密后的信息传递（用户权限信息、从用户系统获取到的用户名、用户ID）
    

需求实现

• 小作坊举办了德州扑克游戏，只要all in一次就可以挣钱
• 开发一个程序，记录每个人all in 多次后，输出每个人赢得钱总额

public class PokerGame {

    ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(()->0);

    public void makeMoney(){
        String name = Thread.currentThread().getName();
        Integer amount = threadLocal.get();
        threadLocal.set(++amount);
        System.out.println(name+" all in");
    }
    public void showMoney(){
        String name = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println(name+"总共挣钱:"+threadLocal.get());
    }

    public static void main(String[] args) {
        PokerGame pokerGame = new PokerGame();

        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<10;i++){
                pokerGame.makeMoney();
            }
            pokerGame.showMoney();
        },"张三").start();

        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<4;i++){
                pokerGame.makeMoney();
            }
            pokerGame.showMoney();
        },"李四").start();

        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<7;i++){
                pokerGame.makeMoney();
            }
            pokerGame.showMoney();
        },"王二").start();
    }
}

• 上文代码有啥问题
• 是的，用完需要remove

      new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    pokerGame.makeMoney();
                }
                pokerGame.showMoney();
            } finally {
                pokerGame.threadLocal.remove();
            }

        }, "王二").start();

• 为什么需要remove呢，继续往下看

ThreadLocal核心源码解读

Thread 、ThreadLocal、ThreadLocalMap 三者的关系

• 关系
  • Thread类，里面有一个ThreadLocalMap类型的变量，变量名字叫threadLocals，是ThreadLocalMap类型
  • ThreadLocal类，里面有一个ThreadLocalMap静态内部类
    • 提供一系列方法操作ThreadLocalMap，比如get/set/remove
    • 隔离Thread和ThreadLocalMap，防止直接创建ThreadLocalMap
    • 自身的get/set内部会判断当前线程是否已经绑定一个ThreadLocalMap，有就继续使用，没有就为其自身绑定
  • ThreadLocalMap 就是保存ThreadLocal的map结构，key就是ThreadLocal本身
    • 所以一个线程只能存储一个值，可以理解为JVM内部维护的一个Map<Thread, Object>
    • 当线程需要用到Object，就用【当前线程】去Map里面获取对应的Object
• 操作
  • Thread类里面有一个ThreadLocalMap类型的变量，不能直接操作这个ThreadLocalMap
  • 需要通过【工具箱】ThreadLocal才可以操作ThreadLocalMap
  • 一个Thread只能有一个ThreadLocalMap
  • ThreadLocalMap以ThreadLocal为键存储数据
    
• 总结
  • ThreadLocal本身并不存储值 ( 是一个壳子 )， 它只是自己作为一个key来让线程从ThreadLocalMap获取value
  • 因为这个原理，所以ThreadLocal能够实现 “每个线程之间的数据隔离”，获取当前线程的局部变量值，不受其他线程影响

四大引用-强软弱虚类型

• 强引用

  • 强引用是使用最普遍的引用，当一个对象被强引用关联后，它就不会被垃圾回收器回收
  • 比如String str = “abc”，变量str就是字符串“abc”的强引用
  • 即使在【内存不足】的情况下，JVM宁愿抛出OutOfMemoryError，也不会回收这种对象

• 软引用

  • 软引用是用来描述一些还有用但非必需的对象，当系统内存资源不足时，垃圾回收器会回收这些对象
  • 只有当内存不足时，才会回收软引用关联的对象；当内存资源充足时，不会回收软引用关联的对象，直接调用GC也不回收
  • 一般在高速缓存中会使用，内存不够时则回收相关对象释放内存
  • 使用 SoftReference< > 包装对象就可以转换为软引用

• 弱引用

  • 弱引用也是用来描述非必需对象，但是它的强度比软引用更弱一些，只能生存到下一次垃圾收集发生之前
  • 只要垃圾回收器工作时，无论内存是否充足，都会回收被弱引用关联的对象。
  • 使用了WeakReference类来实现弱引用

• 虚引用

  • 最弱的一种引用关系，一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例
  • 一个对象设置虚引用关联，目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知
  • 使用 PhantomReference类来实现虚引用，必需要组合使用一个引用队列ReferenceQueue
  • 当垃圾回收器要回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到关联的引用队列中
    • 在虚引用对象传到它的引用队列之前会调用对象的finalize方法

引用类型	被垃圾回收时刻	用途	生存时间
强引用	从来不会	对象的一般状态	JVM停止运行时终止
软引用	在内存不足时	对象简单，缓存，文件缓存，图片缓存	内存不足时终止
弱引用	在gc垃圾回收时	对象简单，缓存，文件缓存，图片缓存	gc运行后终止
虚引用	任何时候都可能被垃圾回收器回收	基本不写，虚拟机使用, 用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动	未知

ThreadLocal内存泄漏

ThreadLocal为什么需要设计成弱引用？并且ThreadLocal用完需要remove呢？

- ThreadLocal中的一个内部类ThreadLocalMap，这个类没有实现map接口，是一个普通的Java类，但是实现的类似map的功能
- 每个数据用Entry保存，继承WeakReference 指向**ThreadLocal（所以是弱引用）键值对存储，键为ThreadLocal的自身引用**
- 每个线程持有一个ThreadLocalMap对象，每一个新的线程Thread都会实例化一个ThreadLocalMap
- 并赋值给成员变量threadLocals，使用时若已经存在threadLocals，则直接使用已经存在的对象

原因

• 两个原因分析 ThreadLocalMap 的key和value造成内存泄露解决方案
• Key问题回收
  • 如果ThreadLocal的引用丢失，ThreadLocalMap的Key如果是强引用，则没法被回收, 造成泄露
  • 所以设计成弱引用，这个时候触发GC时，Key必定会被回收
  • 这个操作是ThreadLocal自身设计进行了解决
• Value问题回收
  • 由于Key是弱引用被回收了，然后key是null，但是value是强引用对象没法被回收和访问，就导致内存泄露
  • 所以用完需要remove相关的value，这个操作需要开发人员进行操作
• 开发中需要注意的点
  • 常规使用的线程，如果线程对象结束被回收，则上面的key和value都可以被回收
  • 但是在实际业务里面多数是使用线程池，就导致线程不能被回收，从而如果没remove对应的值，则会导致OOM
  • 常规set/get方法里面也会清除key为null的entry对象的方法，但实际开发还是需要直接调用remove方法删除