ThreadLocal / volatile / 事务上下文传递总结

原创于 2025-06-19 11:04:50 发布 · 945 阅读

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Java基础

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一、ThreadLocal

1.1 定义与工作原理

ThreadLocal 是 Java 提供的一种线程局部变量机制，解决多线程共享变量引发的并发问题。
每个线程内部维护一个 ThreadLocalMap，Key 是 ThreadLocal 对象本身（弱引用），Value 是线程独享的变量副本（强引用）。
多线程同时访问某个 ThreadLocal 实例时，各自线程访问的是自己副本，无需加锁即可实现线程安全。

内部结构图示（简化）

Thread
 └── ThreadLocalMap
      ├── [ThreadLocal_A] -> ValueA
      └── [ThreadLocal_B] -> ValueB

Key（ThreadLocal 实例）为弱引用，Value 为强引用
若 ThreadLocal 实例被 GC 丢失引用，value 无法被主动清除，可能导致内存泄漏

ThreadLocalMap 内部机制

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的静态内部类，采用开放寻址法解决 Hash 冲突
key 是弱引用 WeakReference<ThreadLocal<?>>，value 是强引用
Entry 不会自动清理，若 key 被 GC 回收，则 key=null 的 entry 仍占用内存
清理依赖显式调用 remove() 或 set() 时触发 expungeStaleEntry()

1.2 应用场景与实战

应用场景

用户上下文传递（如 userId、tenantId、token）
TraceId 日志链路追踪
Spring 事务绑定（Connection 保存在 ThreadLocal 中）
线程级缓存（如非线程安全的 SimpleDateFormat）

项目中典型用法

@Slf4j
public class TraceContextHolder {
    private static final ThreadLocal<String> TRACE_ID = new ThreadLocal<>();

    public static void set(String traceId) {
        TRACE_ID.set(traceId);
    }

    public static String get() {
        return TRACE_ID.get();
    }

    public static void clear() {
        TRACE_ID.remove();
    }
}

在网关或拦截器设置 TraceId，在日志 MDC 中输出，全链路追踪

示例：Spring 中事务上下文的 ThreadLocal

// Spring 事务管理器内部
public class TransactionSynchronizationManager {
    private static final ThreadLocal<Map<Object, Object>> resources = new NamedThreadLocal<>("Transactional resources");
    ...
}

每个线程绑定当前事务的资源（Connection、状态等），实现隐式事务传递

1.3 问题总结与注意事项

问题点	原因分析与风险说明
内存泄漏	key 为弱引用，value 为强引用，未调用 remove() 会导致无法回收
数据串用	线程池复用线程，旧请求的数据未清理干净，污染新请求上下文
子线程不可见	ThreadLocal 是线程私有数据结构，子线程无法访问父线程 ThreadLocalMap
清理不及时	依赖手动调用 remove()，没有自动清理机制，尤其在线程池场景风险大

二、volatile

2.1 原理

volatile 是 JVM 提供的轻量级同步机制，用于解决可见性问题
修饰变量后，对变量的写操作会立即刷新主内存，其他线程可立即读取最新值
禁止 JVM 对指令重排序（仅限于 volatile 写操作之前的指令不会被 reorder 到 volatile 之后）

2.2 与原子性区别

private volatile int count = 0;

public void add() {
    count++; // 非原子性，读-改-写三个步骤并非原子执行
}

volatile 无法解决竞争条件（race condition）
如需保证原子性需使用：
- synchronized / ReentrantLock
- AtomicInteger / LongAdder

2.3 应用场景

控制线程关闭：

private volatile boolean stop = false;
while (!stop) { ... }

双重检查锁（DCL）单例

private static volatile Singleton instance;
if (instance == null) {
    synchronized (Singleton.class) {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
    }
}

三、ThreadLocal vs volatile

对比点	ThreadLocal	volatile
用途	每个线程持有独立变量副本	多线程共享变量（可见性保障）
线程隔离	是	否
是否加锁	不需要	不需要（非原子性）
是否原子	与是否共享无关	否，需要结合 CAS/锁使用
风险	内存泄漏，线程池复用污染	无法保证原子性

四、子线程事务一致性问题

4.1 问题背景

Spring 使用 ThreadLocal 保存事务上下文（TransactionSynchronizationManager）
子线程默认拿不到主线程 ThreadLocal，导致事务断裂

4.2 真实案例

@Transactional
public void create() {
    db.insertOrder();
    executorService.submit(() -> {
        // 子线程无法复用主线程的连接/事务
        db.insertLog(); // 与主线程事务隔离
    });
}

4.3 正确做法

方法	适用与说明
1）避免子线程操作事务	子线程做 MQ、通知等非事务工作
2）手动传递连接、事务对象	侵入性强，维护复杂，不推荐
3）使用 TransmittableThreadLocal	保证上下文 ThreadLocal 可穿透线程池
4）使用事务消息方案	采用最终一致性设计思路（TCC/补偿）

五、内存泄漏案例解析

5.1 模拟 ThreadLocal 内存泄漏

class Leaky {
    private static final ThreadLocal<byte[]> local = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            local.set(new byte[1024 * 1024]); // 每次分配 1MB
        }
        System.gc();
    }
}