为什么Java的wait()和notify()必须在同步块调用？Java中使用ThreadLocal存储数据是否会导致内存泄漏？...-优快云博客

Java 的多线程编程提供了强大的工具，例如 wait() 和 notify() 方法，用于线程间的协调。然而，这些方法必须在同步块中调用，否则会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。此外，ThreadLocal 提供了一种简单的方式为每个线程存储独立的数据，但若使用不当，可能导致内存泄漏问题。

多线程编程一直是软件开发中极具挑战性的领域。如何在多个线程之间协调工作？为什么某些方法必须在特定上下文中使用？为什么一个看似简单的工具如 ThreadLocal，可能隐藏着难以发现的内存泄漏风险？

为什么Java的wait()和notify()必须在同步块调用？Java中使用ThreadLocal存储数据是否会导致内存泄漏？_数据

1. 为什么 `wait()` 和 `notify()` 必须在同步块中调用？

1.1 `wait()` 和 `notify()` 的作用

wait() 和 notify() 是 Object 类中的方法，用于线程间的通信。wait() 会使当前线程进入等待状态，直到被其他线程唤醒；而 notify() 则负责唤醒一个等待中的线程。

代码：

class SharedResource {
    public synchronized void produce() {
        System.out.println("Producing...");
        try {
            wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        System.out.println("Resumed after being notified!");
    }

    public synchronized void consume() {
        System.out.println("Notifying...");
        notify();
    }
}

public class WaitNotifyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SharedResource resource = new SharedResource();
        Thread producer = new Thread(resource::produce);
        Thread consumer = new Thread(resource::consume);

        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

输出可能为：

1.2 必须在同步块中调用的原因

调用 wait() 和 notify() 时，线程需要持有目标对象的监视器(即锁)。这是因为：

线程安全：多线程环境下，多个线程可能同时访问同一个对象，若没有锁机制，wait() 和 notify() 的调用顺序可能被打乱，导致不可预期的行为。
确保原子性：通过同步块或同步方法，Java 保证了这些方法的调用和锁的释放/获取是原子的。

如果在非同步块中调用，会抛出以下异常：

1.3 在非同步块中调用

以下代码会导致异常：

class IncorrectUsage {
    public void waitWithoutLock() {
        try {
            wait(); // 没有同步块
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

2. `ThreadLocal` 的内存泄漏问题

2.1 什么是 `ThreadLocal`？

ThreadLocal 提供了一种机制，用于为每个线程保存独立的变量副本。其典型使用场景包括：

数据库连接管理
用户会话存储
线程上下文变量

代码：

public class ThreadLocalExample {
    private static ThreadLocal<Integer> threadLocalValue = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

    public static void main(String[] args) {
        Runnable task = () -> {
            threadLocalValue.set(threadLocalValue.get() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + threadLocalValue.get());
        };

        Thread thread1 = new Thread(task);
        Thread thread2 = new Thread(task);

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

输出：

2.2 内存泄漏的原因

ThreadLocal 的潜在问题来自其实现机制。每个线程维护一个 ThreadLocalMap，键为 ThreadLocal 对象，值为具体存储的数据。如果 ThreadLocal 对象没有被及时清理，可能导致以下问题：

强引用泄漏：ThreadLocalMap 使用的是弱引用，但其值为强引用，如果线程长时间存在，值对象无法被回收。
线程池问题：在线程池中，线程会被重复利用，导致旧数据可能长期存在。

2.3 导致内存泄漏的代码

public class ThreadLocalLeakExample {
    private static ThreadLocal<byte[]> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        Runnable task = () -> {
            threadLocal.set(new byte[1024 * 1024 * 100]); // 分配 100MB 内存
            System.out.println("Task complete");
        };

        Thread thread = new Thread(task);
        thread.start();
    }
}

如果线程长时间不终止或线程池重复使用该线程，内存可能无法释放。

3. 避免 `ThreadLocal` 内存泄漏的最佳实践

3.1 使用 `remove()` 方法

显式调用 remove() 方法清理数据：

public class ThreadLocalBestPractice {
    private static ThreadLocal<Integer> threadLocalValue = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

    public static void main(String[] args) {
        try {
            threadLocalValue.set(42);
            System.out.println("Value: " + threadLocalValue.get());
        } finally {
            threadLocalValue.remove();
        }
    }
}

3.2 避免存储大对象

尽量避免使用 ThreadLocal 存储大体积对象，如缓存或文件数据。

3.3 使用框架自带的工具

某些框架提供了更安全的上下文变量管理工具，例如 Spring 的 RequestContextHolder。

总结

Java 的 wait() 和 notify() 方法以及 ThreadLocal 的设计初衷是为开发者提供强大的多线程工具，但它们的使用需要小心。同步块是 wait() 和 notify() 正常工作的基础，确保线程间通信的安全性；而 ThreadLocal 虽然简化了线程内数据管理，但不当的使用可能导致严重的内存泄漏。通过掌握这些机制和最佳实践，可以避免常见的陷阱，提高代码的健壮性和效率。