ThreadLocal是一個(gè)線程安全的,以線程為單位的數(shù)據(jù)傳遞工具。廣泛應(yīng)用于多層級(jí)數(shù)據(jù)傳遞。
ThreadLocal主要功能是跨層傳遞參數(shù),比如,Controller層的數(shù)據(jù)需要在業(yè)務(wù)邏輯層使用時(shí),除了利用方法的參數(shù)傳遞之外還可以使用ThreadLocal傳遞。
有時(shí)候我們需要從上層傳遞一個(gè)參數(shù)到下層的方法,但是下層的方法新增一個(gè)參數(shù)的話,會(huì)違背開(kāi)閉原則,如果依賴此方法的上層比較多,那修改此方法必然會(huì)牽扯很多其他的代碼也要改動(dòng)(代碼中難免會(huì)遇到這種不合理的代碼)因此我們可以通過(guò)ThreadLocal來(lái)傳遞這個(gè)參數(shù)
另外,ThreadLocal在源碼中經(jīng)常被應(yīng)用,例如,Spring MVC的RequestContextHolder的實(shí)現(xiàn)就是使用了ThreadLocal,cglib動(dòng)態(tài)代理中也應(yīng)用了ThreadLocal等等。
public final class OperationInfoRecorder {private static final ThreadLocal<OperationInfoDTO> THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>(); private OperationInfoRecorder() { } public static OperationInfoDTO get() { return THREAD_LOCAL.get(); } public static void set(OperationInfoDTO operationInfoDTO) { THREAD_LOCAL.set(operationInfoDTO); } public static void remove() { THREAD_LOCAL.remove(); } }//使用OperationInfoRecorder.set(operationInfoDTO)OperationInfoRecorder.get()
日常的代碼書(shū)寫(xiě)中需要注意兩點(diǎn):
先來(lái)看看ThreadLocal設(shè)計(jì)的巧妙之處,通過(guò)一段源碼深入了解
public static void set(OperationInfoDTO operationInfoDTO) { THREAD_LOCAL.set(operationInfoDTO); }
public void set(T value) { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) map.set(this, value); else createMap(t, value); }
跟到這里發(fā)現(xiàn)獲取當(dāng)前線程,當(dāng)前線程參與進(jìn)來(lái)了,進(jìn)入createMap方法
void createMap(Thread t, T firstValue) { t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);}
此處實(shí)際上就是創(chuàng)建了一個(gè)ThreadLocalMap對(duì)象,賦值給當(dāng)前線程的threadLocals屬性。
我們?nèi)サ絋hread類中看看這個(gè)屬性到底是什么
public class Thread implements Runnable {ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;}
可見(jiàn)每個(gè)線程對(duì)象中都有兩個(gè)屬性,這兩個(gè)屬性都是ThreadLocalMap類型。
看到這里不難想象,ThreadLocal對(duì)外聲稱的數(shù)據(jù)線程隔離不過(guò)是把數(shù)據(jù)保存到了當(dāng)前線程對(duì)象里面,自然是線程隔離以及線程安全了。
那么ThreadLocalMap和ThreadLocal是什么關(guān)系呢?
圖片
如圖:
ThreadLocalMap內(nèi)部有一個(gè)Entry數(shù)組,這個(gè)數(shù)組中的每個(gè)元素都是一個(gè)key-value鍵值對(duì),value是要存儲(chǔ)的值,key是通過(guò)WeakReference包裝的ThreadLocal對(duì)象的弱引用,弱引用會(huì)在每次垃圾回收的時(shí)候被回收。
在代碼結(jié)構(gòu)上ThreadLocalMap是ThreadLocal的靜態(tài)內(nèi)部類,真正負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的是ThreadLocalMap。
在應(yīng)用上,ThreadLocal為T(mén)hreadLocalMap提供了對(duì)外訪問(wèn)的api,包括set,get,remove。同時(shí)ThreadLocal對(duì)象的引用又作為T(mén)hreadLocalMap中Entry元素的key。
既然是數(shù)組,插入數(shù)據(jù)的時(shí)候是怎么解決hash沖突呢?
ThreadLocalMap采用開(kāi)放尋址法插入數(shù)據(jù)。就是如果發(fā)現(xiàn)hash沖突,就依次向后面的尋找一個(gè)空桶,直到找到為止,然后插入進(jìn)去。
那么為什么使用開(kāi)地址法?而不是像hash表一樣使用鏈表法呢?
在開(kāi)放尋址法中,所有的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組中,比起鏈表法來(lái)說(shuō),沖突的代價(jià)更高。所以,使用開(kāi)放尋址法解決沖突的散列表,裝載因子的上限不能太大。這也導(dǎo)致這種方法比鏈表法更浪費(fèi)內(nèi)存空間。但是反過(guò)看,鏈表法指針需要額外的空間,故當(dāng)結(jié)點(diǎn)規(guī)模較小時(shí),開(kāi)放尋址法較為節(jié)省空間,而若將節(jié)省的指針空間用來(lái)擴(kuò)大散列表的規(guī)模,可使裝填因子變小,這又減少了開(kāi)放尋址法中的沖突,從而提高平均查找速度。并且使用中很少有大量ThreadLocal對(duì)象的場(chǎng)景。
1.第一次set數(shù)據(jù)
public void set(T value) { Thread t = Thread.currentThread(); 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); } ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) { table = new Entry[INITIAL_CAPACITY]; int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1); table[i] = new Entry(firstKey, firstValue); size = 1; setThreshold(INITIAL_CAPACITY); }
第一次set數(shù)據(jù)比較簡(jiǎn)單,線程中尚未初始化ThreadLocalMap,需要先初始化,初始化步驟如下:
1.非第一次set數(shù)據(jù)
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) { ThreadLocal<?> k = e.get(); if (k == key) { e.value = value; return; } if (k == null) { replaceStaleEntry(key, value, i); return; } } tab[i] = new Entry(key, value); int sz = ++size; if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) rehash(); }
上面的代碼步驟如下:
private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value, int staleSlot) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; Entry e; int slotToExpunge = staleSlot; for (int i = prevIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = prevIndex(i, len)){ if (e.get() == null) slotToExpunge = i; } for (int i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) { ThreadLocal<?> k = e.get(); if (k == key) { e.value = value; tab[i] = tab[staleSlot]; tab[staleSlot] = e; if (slotToExpunge == staleSlot) slotToExpunge = i; cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len); return; } if (k == null && slotToExpunge == staleSlot) slotToExpunge = i; } tab[staleSlot].value = null; tab[staleSlot] = new Entry(key, value); if (slotToExpunge != staleSlot) cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len); }
replaceStaleEntry方法是對(duì)set過(guò)程中遇到的失效Entry做進(jìn)一步處理,replaceStaleEntry代碼中執(zhí)行步驟如下:
1. 從當(dāng)前下標(biāo)為staleSlot的地方向左遍歷,直到找到第一個(gè)空桶停止遍歷,此時(shí)slotToExpunge=staleSlot,或者直到找到第一個(gè)非空桶且Entry對(duì)象的key為空為止,此時(shí)slotToExpunge為當(dāng)前桶下標(biāo)。此處可能說(shuō)的有點(diǎn)繞,但是相信自己看代碼就能明白。
2. 從當(dāng)前下標(biāo)為staleSlot的地方向右遍歷,此遍歷的目的是為了查看右側(cè)是否存在key相同的Entry,如果有,就更新value,并且和staleSlot下標(biāo)對(duì)應(yīng)的桶中的失效Entry交換位置,如果沒(méi)有就直接更新staleSlot下標(biāo)的桶。
這里為什么不直接更新staleSlot下標(biāo)對(duì)應(yīng)的桶呢?
因?yàn)镋ntry數(shù)組插入的時(shí)候如果遇到hash沖突(即兩個(gè)key計(jì)算出的下標(biāo)相同),直接是依次插到后面一個(gè)空桶,如果再后來(lái)的數(shù)據(jù)插入的時(shí)候發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)下標(biāo)的桶已經(jīng)被占用,這種情況也是向后一個(gè)空桶插入。因此可以知道,不直接更新而是向后遍歷查看key是否相等,就類似于hash表插入的時(shí)候發(fā)生hash沖突后對(duì)鏈表的遍歷查找。只不過(guò)多了一個(gè)為止交換。
3. 每一次插入完成,就要執(zhí)行expungeStaleEntry方法和cleanSomeSlots方法,這個(gè)兩個(gè)方法都是失效清理方法。
expungeStaleEntry方法為探測(cè)式清理,從給定開(kāi)始的下標(biāo)開(kāi)始向右遍歷,直到第一個(gè)空桶為止
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; tab[staleSlot].value = null; tab[staleSlot] = null; size--; Entry e; int i; for (i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) { ThreadLocal<?> k = e.get(); if (k == null) { e.value = null; tab[i] = null; size--; } else { int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1); if (h != i) { tab[i] = null; // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until // null because multiple entries could have been stale. while (tab[h] != null) h = nextIndex(h, len); tab[h] = e; } } } return i; }
還記得這個(gè)變量嗎slotToExpunge,這個(gè)變量的值是向左遍歷得到的第一個(gè)Entry失效的桶的下標(biāo)。
此方法做的事情就是從這個(gè)下標(biāo)開(kāi)始向右把失效的Entry全部清除,而把沒(méi)有失效的Entry重新計(jì)算下標(biāo),重新按照開(kāi)放地址法放到數(shù)組中。直到第一個(gè)空桶停止遍歷。并且把當(dāng)前遍歷到的桶的下標(biāo)返回。
我們先來(lái)總結(jié)下這個(gè)過(guò)程的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)
那么為什么這么做呢?
首先,之所以只操作兩個(gè)空桶之間的元素,是因?yàn)閮蓚€(gè)空桶之間的元素都和當(dāng)前key計(jì)算的下標(biāo)有關(guān)系(有可能是hash沖突造成的臨近元素),操作這一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以保證與當(dāng)前key相關(guān)的元素都能得到失效處理。
然后就是小范圍的失效操作,避免大量數(shù)據(jù)參與,可以提高性能。
最后是可以使得rehash后的數(shù)據(jù)距離正確的位置更近一些,能提高整個(gè)散列表的查詢性能。
同時(shí)這個(gè)方法會(huì)在set,get,remove,resize方法中反復(fù)使用,因此不能大規(guī)模掃描。
private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) { boolean removed = false; Entry[] tab = table; int len = tab.length; do { i = nextIndex(i, len); Entry e = tab[i]; if (e != null && e.get() == null) { n = len; removed = true; i = expungeStaleEntry(i); } } while ( (n >>>= 1) != 0); return removed; }
cleanSomeSlots方法為啟發(fā)式清理,從給定開(kāi)始的下標(biāo)開(kāi)始向右遍歷log2n個(gè)位置,對(duì)遍歷過(guò)程中失效元素調(diào)用expungeStaleEntry方法,目的也是在不影響性能的基礎(chǔ)上盡可能的多的把失效的元素清除。
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(); } private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) { int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1); Entry e = table[i]; if (e != null && e.get() == key) return e; else return getEntryAfterMiss(key, i, e); } private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; while (e != null) { ThreadLocal<?> k = e.get(); if (k == key) return e; if (k == null) expungeStaleEntry(i); else i = nextIndex(i, len); e = tab[i]; } return null; }
get方法要比set方法簡(jiǎn)單,邏輯步驟如下
getEntryAfterMiss方法就是從當(dāng)前坐標(biāo)開(kāi)始向后檢查key是否相等,相等的直接返回,如果失效,就調(diào)用expungeStaleEntry做失效處理,如果沒(méi)有找到就返回null。
private void remove(ThreadLocal<?> key) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) { if (e.get() == key) { e.clear(); expungeStaleEntry(i); return; } } }
remove方法就更加簡(jiǎn)單了,遍歷找到key相等的元素,進(jìn)行刪除,順便在當(dāng)前坐標(biāo)位置開(kāi)始調(diào)用expungeStaleEntry進(jìn)行失效處理
private void resize() { Entry[] oldTab = table; int oldLen = oldTab.length; int newLen = oldLen * 2; Entry[] newTab = new Entry[newLen]; int count = 0; for (int j = 0; j < oldLen; ++j) { Entry e = oldTab[j]; if (e != null) { ThreadLocal<?> k = e.get(); if (k == null) { e.value = null; // Help the GC } else { int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1); while (newTab[h] != null) h = nextIndex(h, newLen); newTab[h] = e; count++; } } } setThreshold(newLen); size = count; table = newTab; }
擴(kuò)容機(jī)制也比較簡(jiǎn)單,在擴(kuò)容前會(huì)先調(diào)用expungeStaleEntry進(jìn)行一次失效處理,這此失效處理是在坐標(biāo)0開(kāi)始,失效處理結(jié)束后如果size >= threshold - threshold / 4,那就進(jìn)行擴(kuò)容
擴(kuò)容步驟
在ThreadLocalMap中使用WeakReference包裝后的ThreadLocal對(duì)象作為key,也就是說(shuō)這里對(duì)ThreadLocal對(duì)象為弱引用。當(dāng)ThreadLocal對(duì)象在ThreadLocalMap引用之外,再無(wú)其他引用的時(shí)候能夠被垃圾回收
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { Object value; Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { super(k); value = v; } }
垃圾回收后,Entry對(duì)象的key變?yōu)閚ull,value還被引用著,既然key為null,那么value就不可能再被應(yīng)用,但是因?yàn)関alue被Entry引用著,Entry被ThreadLocalMap引用著,ThreadLocalMap被Thread引用著,因此線程不結(jié)束,那么該回收的內(nèi)存就會(huì)一直回收不了。
很容易出問(wèn)題的情況就是我們?cè)谑褂镁€程池的時(shí)候,線程池中的線程都是重復(fù)利用的,這時(shí)候使用threadLocal存放一些數(shù)據(jù)的話,如果在線程結(jié)束的時(shí)候沒(méi)有顯示的做清除處理,就有可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄露問(wèn)題,甚至導(dǎo)致業(yè)務(wù)邏輯出現(xiàn)問(wèn)題。所以在使用線程池的時(shí)候需要特別注意在代碼運(yùn)行完后顯式的去清空設(shè)置的數(shù)據(jù),如果用自定義的線程池同樣也會(huì)遇到這樣的問(wèn)題。此時(shí)需要在finally代碼塊顯式清除threadLocal中的數(shù)據(jù)。
當(dāng)然對(duì)于內(nèi)存泄露問(wèn)題,ThreadLocalMap也是做了相關(guān)處理的,通過(guò)上面的源碼知道ThreadLocalMap在get和set以及remove的時(shí)候,都會(huì)相應(yīng)的做一次探測(cè)式清理操作,但是我們也說(shuō)了這種清除是小范圍的,是不能100%保證能夠清理干凈的。
我們可以通過(guò)以下兩種方式來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題:
把ThreadLocal對(duì)象聲明為static,這樣ThreadLocal成為了類變量,生命周期不是和對(duì)象綁定,而是和類綁定,延長(zhǎng)了聲明周期,避免了被回收;
在使用完ThreadLocal變量后,手動(dòng)remove掉,防止ThreadLocalMap中Entry一直保持對(duì)value的強(qiáng)引用。導(dǎo)致value不能被回收。
threadlocal不支持繼承性:也就是說(shuō),同一個(gè)ThreadLocal變量在父線程中被設(shè)置值后,在子線程中是獲取不到的。
但是父線程設(shè)置上下文就無(wú)法被子線程獲取嗎?當(dāng)然不是,thread類除了提供了threadLocals,還提供了inheritableThreadLocals,InheritableThreadLocal繼承了ThreadLocal,這個(gè)類中的父線程的值就可以在子線程中獲取到。此類重寫(xiě)了ThreadLocal的三個(gè)方法。
public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> { public InheritableThreadLocal() { } protected T childValue(T var1) { return var1; } ThreadLocalMap getMap(Thread var1) { return var1.inheritableThreadLocals; } void createMap(Thread var1, T var2) { var1.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, var2); }}
此類是如何實(shí)現(xiàn)子線程獲取父線程保存的值的呢?下面代碼是thread類的源碼,在創(chuàng)建一個(gè)線程時(shí),thread初始化的innt方法中會(huì)去判斷父線程的inheritThreadLocals中是否有值,如果有,直接賦值給子線程
if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null) this.inheritableThreadLocals = ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
InheritableThreadLocals的使用方式
private static final ThreadLocal<OperationInfoDTO> THREAD_LOCAL = new InheritableThreadL
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