前言
最近开始空闲起来了，深入学习系列以及自我提升系列都得提上日程了。本次学习的ThreadLocal，是由JDK提供的一个用于存储每个线程本地副本信息的类，它的编写者就是著名的并发包大神Doug Lea。要想深入学习一个类，首先得先阅读它的官方类注释：
* This class provides thread-local variables. These variables differ from
* their normal counterparts in that each thread that accesses one (via its
* {@code get} or {@code set} method) has its own, independently initialized
* copy of the variable. {@code ThreadLocal} instances are typically private
* static fields in classes that wish to associate state with a thread (e.g.,
* a user ID or Transaction ID).
翻译过来的意思就是：
这个类用于提供线程本地变量，这些变量和普通的变量不同，因为每个线程通过访问ThreadLocal的get或者
是set方法都会有其独立的、初始化的变量副本。ThreadLocal实例通常是希望将线程独有的状态（例如用户ID、交易ID）
线程中的私有静态字段进行关联，即将线程独有的状态存储到线程中。
* <p>Each thread holds an implicit reference to its copy of a thread-local
* variable as long as the thread is alive and the {@code ThreadLocal}
* instance is accessible; after a thread goes away, all of its copies of
* thread-local instances are subject to garbage collection (unless other
* references to these copies exist)
这段的意思是：
每个线程都会持有一个指向ThreadLocal变量的隐式引用，只要线程还没有结束，该引用就不会被GC。
但当线程结束后并且其他地方没有对这些副本进行引用，则线程本地实例的所有副本都会被GC。
正文
1. 适用（使用）场景
源码学习总是非常枯燥的，所以得先了解要学习的类能够做什么，适用和使用场景有哪些，这样学起来就更有目的性。经过前文对于ThreadLocal源码类注释的翻译过后，我们大致知道了ThreadLocal的作用，可以概括为两点：
- 用于存储线程本地的副本变量，说白了就是为了做到线程隔离。
- 用于确保线程安全。
但ThreadLocal的作用不止这两点，带着疑惑我们先看下ThreadLocal有哪些使用场景。
1.1 线程资源持有（线程隔离）
在WEB程序中，每个线程就是一个session，不同用户访问程序会通过不同的线程来访问，通过ThreadLocal来确保同一个线程的访问获得的用户信息都是相同的，同时也不会影响其他线程的用户信息。所以ThreadLocal可以很好的确保线程之间的隔离性。
1.2 线程资源一致性
嗯… 图片有些模糊。
这个场景呢，在JDBC内部都有使用到。在JDBC内部，会通过ThreadLocal来实现 线程资源的一致性。我们都知道，每个HTTP请求都会在WEB程序内部生成一个线程，而每个线程去访问DB的时候，都会从连接池中获取一个Connection连接用于进行数据库交互。那么当一个HTTP请求进来，该请求在程序内部调用了不同的服务，包括搜索服务、下单服务、付款服务等，在这个调用链中每次请求一个服务都需要进行一次数据库交互，那么有一个问题就是如何确保请求过程中和数据库交互的 事务状态一致 的问题，如果同一个请求的调用链中connection都不同，则事务就没法控制了，因此在JDBC中通过了ThreadLocal来确保每次的请求都会和同一个connection进行一一对应，确保一次请求链中都用的同一个connection，这就是 线程资源的一致性。
1.3 线程安全
基于ThreadLocal存储在Thread中作为本地副本变量的机制，保证每个线程都可以拥有自己的上下文，确保了线程安全。相比于加锁（Synchronize、Lock），ThreadLocal的效率更高。
1.4 分布式计算
对于分布式计算场景中，即每个线程都计算出结果后，最终通过将ThreadLocal存储的结果取出，并收集。
1.5 在SqlSessionManager中的应用
在SqlSessionManager中，对于SqlSession的存储，就是通过ThreadLocal来进行的。
可以看到，在getConnection()的时候，实际上就是去从ThreadLocal中去获取连接—SqlSession。
1.6 在Spring框架中的TransactionContextHolder中的应用
在Spring框架中的TransactionContextHolder中，也同样使用了ThreadLocal，以一个分布式事务的业务场景来进行分析：
在淘宝APP中，需要购买某个商品，会涉及交易中台，履约中台。购买一个商品后，会在交易中台去更新订单，同时需要去履约中台进行合约签订。但如果淘宝APP回滚了，则履约中台和交易中台也需要进行业务回滚。对于分布式事务，需要有一个context，即资源上下文，用于存储用户的信息、订单的信息以及来源等，因此在Spring的TransactionContextHolder中，就通过ThreadLocal来存储context。
以上都是在学习慕课网“求老仙奶我不到P10”老师的《ThreadLocal讲解》的视频中总结的内容，如有侵权请联系删除。PS：老师讲解的非常好，建议小伙伴们都去观看学习一波。
2. 源码学习
上面已经了解到ThreadLocal的适用（使用）场景了，下面就开始枯燥的源码学习了，在学习之前，我们先提出几个疑问：
- ThreadLocal是怎么保证了线程隔离的？
- ThreadLocal注释中提到的隐式引用是什么？有什么作用？
- ThreadLocal为什么要用到隐式引用？而不用强引用？
- 据说ThreadLocal会发生内存泄漏？什么情况下会发生内存泄漏？如何避免内存泄漏？
- 使用ThreadLocal有什么需要注意的点？
2.1 ThreadLocal内部使用了哪些数据结构？
首先，我们来看下ThreadLocal中几个比较重要的数据结构。
/**
* 用于ThreadLocal内部ThreadLocalMap数据结构的哈希值，用于降低哈希冲突。
*/
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
/**
* 原子操作生成哈希值，初始值为0.
*/
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
/*
* 用于进行计算出threadLocalHashCode的哈希值。
*/
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
/**
* 返回下一个哈希值，让哈希值散列更均匀。
*/
private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
下面将是ThreadLocal最终要的一个数据结构：ThreadLocalMap
/**
* ThreadLocalMap其实就是一个用于ThreadLocal的自定义HashMap，它和HashMap很像。在其内部有一个自定义的Entry类，
* 并且有一个Entry数组来存储这个类的实例对象。类似于HashMap，ThreadLocalMap同样的拥有初始大小，拥有扩容阈值。
*/
static class ThreadLocalMap {
/*
* 可以看到，Entry类继承了WeakReference类，它的含义是弱引用，即JVM进行GC时，无论当前内存是否够用，
* 都会把被WeakReference指向的对象回收掉。
*/
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
// ThreadLocalMap的初始大小
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16
// 用于存储Entry的数组
private Entry[] table;
private int size = 0;
// 扩容阈值，扩容阈值为初始大小值的三分之二。
private int threshold; // Default to 0
private void setThreshold(int len) {
threshold = len * 2 / 3;
}
private static int nextIndex(int i, int len) {
return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}
private static int prevIndex(int i, int len) {
return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}
}
那么对于ThreadLocalMap中，Entry为什么要继承WeakReference，而不是其他的Reference？这里由于篇幅原因，就不加以介绍，并且网上已经有很多优秀的分析博文，可以看下末文的引用，这里就不继续深入了，简单总结以下几点原因：
- 是为了再Thread线程在执行过程中，key能够被GC掉，从而在需要彻底GC掉ThreadLocalMap时，只需要调用ThreadLocal的remove方法即可。
- 如果是用的强引用，虽然Entry到Thread不可达，但是和Value还有强引用的关系，是可达的，所以无法被GC掉。
虽然Entry使用的是WeakReference虚引用，但JVM只是回收掉了ThreadLocalMap中的key，但是value和key是强引用的（value也会引用null），所以value是无法被回收的，所以如果线程执行时间非常长，value持续不GC，就有内存溢出的风险。所以最好的做法就是调用ThreadLocal的remove方法，把ThreadLocal.ThreadLocalMap给清除掉。
2.2 源码分析
先看下Thread类的源码，在Thread类中，定义了两个ThreadLocalMap变量
这里就可以发现，ThreadLocalMap变量定义在Thread中，因而每个Thread都拥有自己的ThreadLocalMap变量，互不影响，因而实现了线程隔离性。
这里有一个inheritableThreadLocals，作用是用于父子线程间ThreadLocal变量的传递。详细的关于inheritableThreadLocals的分析可以学习下博文InheritableThreadLocal详解。
下面回到关于ThreadLocal源码的介绍，先看看set()和get()方法源码：
// ThreadLocal中的set()方法
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
// 将当前线程传入，作为ThreadLocalMap的引用，创建出ThreadLocalMap
createMap(t, value);
}
// ThreadLocalMap中的set()方法
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
// 初始化Entry数组
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 通过取模计算出索引值
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
// 如果ThreadLocalMap中tab的槽位已经被使用了，则寻找下一个索引位，i=nextIndex(i, len)
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
// 如果key引用被回收了，则用新的key-value来替换，并且删除无用的Entry
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
// 清楚哪些get()为空的对象，然后进行rehash。
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
public T get() {
// 获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取线程t中的ThreadLocalMap
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;
}
}
// 如果没有获取到ThreadLocalMap，则初始化一个ThreadLocalMap
return setInitialValue();
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
// 初始化
private T setInitialValue() {
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
// 把线程存放到当前线程的ThreadLocalMap中
createMap(t, value);
return value;
}
知道怎么存储以及获取ThreadLocal之后，还要知道怎么清除ThreadLocal，防止内存泄漏，下面看下remove()源码：
// ThreadLocal的remove()方法
public void remove() {
// 获取当前线程中的ThreadLocalMap
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
m.remove(this);
}
// ThreadLocalMap中的remove()方法
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 通过取模获取出索引位置，
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;
}
}
}
/**
* 清除没用的槽位以及null插槽，并且对其进行重新散列。
*/
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 将插槽位置的键和值都设置为null
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = null;
size--;
// 遇到null的插槽，重新散列计算哈希值。
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;
}
3. 总结
整片文章，先介绍了ThreadLocal的适用场景，然后再由此带着疑问深入学习了ThreadLocal源码，不过ThreadLocal源码中，其实还有许多没有挖掘完的细节，这部分接下来会持续的深入分析并学习，然后再过来跟下本篇博文。
3.1 ThreadLocal的适用场景
① 线程资源持有（线程隔离）
② 线程资源一致性
③ 线程安全
④ 分布式计算
3.2 哪些开源框架、源码使用到了ThreadLocal
① JDBC获取Connection相关源码
② MyBatis中的SqlSessionManager相关源码
③ Spring框架中的TransactionContextHolder相关源码
3.3 关于内存泄漏
由于ThreadLocalMap的Entry继承了WeakReference，所以只要JVM发起了GC，就会回收掉Entry的键，导致当线程持续运行时，ThreadLocal中value值增多，并且没法对其进行GC，所以导致内存泄漏，因此需要调用其remove方法，避免内存泄漏。
3.4 其他
有哪里分析总结不对的地方，欢迎各位读者及时指出。
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