本文详细介绍了ThreadLocal类在Java中的用途及其实现原理。通过具体示例展示了如何利用ThreadLocal实现线程间的变量隔离，并深入剖析了其内部机制，包括如何避免内存泄漏等问题。
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JDK中的源码是怎么写的：
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).
翻译过来大概是这样的(英文不好，如有更好的翻译，请留言说明)：
ThreadLocal类用来提供线程内部的局部变量。这种变量在多线程环境下访问(通过get或set方法访问)时能保证各个线程里的变量相对独立于其他线程内的变量。ThreadLocal实例通常来说都是private static类型的，用于关联线程和线程的上下文。
有人要说了：你可以将公交卡设置为全局变量啊，这样不是也能何时何地都能取公交卡吗？但是如果有很多个人（很多个线程）呢？大家可不能都使用同一张公交卡吧(我们假设公交卡是实名认证的)，这样不就乱套了嘛。现在明白了吧？这就是ThreadLocal设计的初衷：提供线程内部的局部变量，在本线程内随时随地可取，隔离其他线程。
构造函数
ThreadLocal的构造函数签名是这样的：
/**
* Creates a thread local variable.
* @see #withInitial(java.util.function.Supplier)
*/
public ThreadLocal() {
}
内部啥也没做。
initialValue函数用来设置ThreadLocal的初始值，函数签名如下：
protected T initialValue() {
return null;
}
该函数在调用get函数的时候会第一次调用，但是如果一开始就调用了set函数，则该函数不会被调用。通常该函数只会被调用一次，除非手动调用了remove函数之后又调用get函数，这种情况下，get函数中还是会调用initialValue函数。该函数是protected类型的，很显然是建议在子类重载该函数的，所以通常该函数都会以匿名内部类的形式被重载，以指定初始值，比如：
package com.winwill.test;
/**
* @author qifuguang
* @date 15/9/2 00:05
*/
public class TestThreadLocal {
private static final ThreadLocal<Integer> value = new ThreadLocal<Integer>() {
@Override
protected Integer initialValue() {
return Integer.valueOf(1);
}
};
}
该函数用来获取与当前线程关联的ThreadLocal的值，函数签名如下：
public T get()
如果当前线程没有该ThreadLocal的值，则调用initialValue函数获取初始值返回。
set函数用来设置当前线程的该ThreadLocal的值，函数签名如下：
public void set(T value)
设置当前线程的ThreadLocal的值为value。
remove函数用来将当前线程的ThreadLocal绑定的值删除，函数签名如下：
public void remove()
在某些情况下需要手动调用该函数，防止内存泄露。
学习了最基本的操作之后，我们用一段代码来演示ThreadLocal的用法，该例子实现下面这个场景：
有5个线程，这5个线程都有一个值value，初始值为0，线程运行时用一个循环往value值相加数字。
package com.winwill.test;
/**
* @author qifuguang
* @date 15/9/2 00:05
*/
public class TestThreadLocal {
private static final ThreadLocal<Integer> value = new ThreadLocal<Integer>() {
@Override
protected Integer initialValue() {
return 0;
}
};
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(new MyThread(i)).start();
}
}
static class MyThread implements Runnable {
private int index;
public MyThread(int index) {
this.index = index;
}
public void run() {
System.out.println("线程" + index + "的初始value:" + value.get());
for (int i = 0; i < 10; i++) {
value.set(value.get() + i);
}
System.out.println("线程" + index + "的累加value:" + value.get());
}
}
}
线程0的初始value:0
线程3的初始value:0
线程2的初始value:0
线程2的累加value:45
线程1的初始value:0
线程3的累加value:45
线程0的累加value:45
线程1的累加value:45
线程4的初始value:0
线程4的累加value:45
可以看到，各个线程的value值是相互独立的，本线程的累加操作不会影响到其他线程的值，真正达到了线程内部隔离的效果。
没错，这是最简单的设计方案，JDK最早期的ThreadLocal就是这样设计的。JDK1.3（不确定是否是1.3）之后ThreadLocal的设计换了一种方式。
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;
}
private T setInitialValue() {
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
- 首先获取当前线程
- 根据当前线程获取一个Map
- 如果获取的Map不为空，则在Map中以ThreadLocal的引用作为key来在Map中获取对应的value e，否则转到5
- 如果e不为null，则返回e.value，否则转到5
- Map为空或者e为空，则通过initialValue函数获取初始值value，然后用ThreadLocal的引用和value作为firstKey和firstValue创建一个新的Map
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
- 这样设计之后每个Map的Entry数量变小了：之前是Thread的数量，现在是ThreadLocal的数量，能提高性能，据说性能的提升不是一点两点(没有亲测)
- 当Thread销毁之后对应的ThreadLocalMap也就随之销毁了，能减少内存使用量。
static class ThreadLocalMap {
/**
* The entries in this hash map extend WeakReference, using
* its main ref field as the key (which is always a
* ThreadLocal object). Note that null keys (i.e. entry.get()
* == null) mean that the key is no longer referenced, so the
* entry can be expunged from table. Such entries are referred to
* as "stale entries" in the code that follows.
*/
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
...
...
}
然后网上就传言，ThreadLocal会引发内存泄露，他们的理由是这样的：
如上图，ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用引用他，那么系统gc的时候，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value，如果当前线程再迟迟不结束的话，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：
Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value
永远无法回收，造成内存泄露。
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;
}
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// expunge entry at staleSlot
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = null;
size--;
// Rehash until we encounter null
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;
}
整理一下ThreadLocalMap的getEntry函数的流程：
- 首先从ThreadLocal的直接索引位置(通过ThreadLocal.threadLocalHashCode & (len-1)运算得到)获取Entry e，如果e不为null并且key相同则返回e；
- 如果e为null或者key不一致则向下一个位置查询，如果下一个位置的key和当前需要查询的key相等，则返回对应的Entry，否则，如果key值为null，则擦除该位置的Entry，否则继续向下一个位置查询
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