ThreadLocal 核心原理

1、基本概念

在并发编程中，多个线程同时访问同一个共享变量，可能出现线程安全的问题。为了保证在多线程环境下访问共享变量的安全性，通常会在访问共享变量的时候进行加锁，以实现线程同步的效果。

另外，为了更加灵活地确保线程的安全性，JDK 中提供了一个 ThreadLocal 类，它能够支持本地变量。
ThreadLocal，即线程本地变量。如果你创建了一个ThreadLocal变量，那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的一个本地拷贝，多个线程操作这个变量的时候，实际是操作自己本地内存里面的变量，从而起到线程隔离的作用，避免了线程安全问题。
可以理解成每个线程都有自己专属的存储容器，它用来存储线程私有变量，其实它只是一个外壳，内部真正存取是一个 Map。每个线程可以通过 set() 和 get() 存取变量，多线程间无法访问各自的局部变量，相当于在每个线程间建立了一个隔板。只要线程处于活动状态，它所对应的 ThreadLocal 实例就是可访问的，线程被终止后，它的所有实例将被垃圾收集。总之记住一句话：ThreadLocal 存储的变量属于当前线程。

//创建一个ThreadLocal变量
static ThreadLocal<String> localVariable = new ThreadLocal<>();

ThreadLocal的应用场景有

• 数据库连接池：ThreadLocal 经典的使用场景是为每个线程分配一个 JDBC 连接 Connection，这样就可以保证每个线程的都在各自的 Connection 上进行数据库的操作，不会出现 A 线程关了 B 线程正在使用的 Connection。
• 会话管理中使用：将Session保存在ThreadLocal中，使线程处理多次处理会话时始终是同一个Session。

在使用 ThreadLocal 类访问共享变量时，会在每个线程的本地内存中都存储一份这个共享变量的副本。在多个线程之间同时对这个共享变量进行读写操作时，实际上操作的是本地内存中的变量副本，多个线程之间互不干扰，从而避免了线程安全的问题。

2、使用案例

public class ThreadLocalTest {

    private static final ThreadLocal<String> THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<String>();

    public static void main(String[] args){
        Thread threadA = new Thread(()->{
            THREAD_LOCAL.set("ThreadA: " + Thread.currentThread().getName());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "本地变量中的值为: " + THREAD_LOCAL.get());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "未删除本地变量，本地变量中的值为: " + THREAD_LOCAL.get());
        }, "Thread-A");

        Thread threadB = new Thread(()->{
            THREAD_LOCAL.set("ThreadB: " + Thread.currentThread().getName());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "本地变量中的值为: " + THREAD_LOCAL.get());
            THREAD_LOCAL.remove();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "删除本地变量后，本地变量中的值为: " + THREAD_LOCAL.get());
        }, "Thread-B");

        threadA.start();
        threadB.start();
    }
}

输出结果：
Thread-A本地变量中的值为: ThreadA: Thread-A
Thread-A未删除本地变量，本地变量中的值为: ThreadA: Thread-A
Thread-B本地变量中的值为: ThreadB: Thread-B
Thread-B删除本地变量后，本地变量中的值为: null

从输出结果我们可以看到，删除 Thread-B 线程中的本地变量后，Thread-B 线程中保存的本地变量的值为 null。同时，删除 Thread-B 线程中的本地变量后，不会影响 Thread-A 线程中保存的本地变量。

Thread-A 线程和 Thread-B 线程存储在 ThreadLocal 中的变量互不干扰，Thread-A 线程中存储的本地变量只能由 Thread-A 线程访问，Thread-B 线程中存储的本地变量只能由 Thread-B 访问。

3、ThreadLocal 核心原理

ThreadLocal 有四个方法，分别为：

1. initialValue：返回此线程局部变量的初始值；
2. get：返回此线程局部变量的当前线程副本中的值。如果这是线程第一次调用该方法，则创建并初始化此副本；
3. set：将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值。许多应用程序不需要这项功能，它们只依赖于 initialValue() 方法来设置线程局部变量的值；
4. remove：移除此线程局部变量的值。

3.1 核心原理

在 Thread 类的源码中，定义了两个 ThreadLocal.ThreadLocalMap 类型的成员变量，分别为 threadLocals 和 inheritableThreadLocals，源码如下：

    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

    /*
     * InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is
     * maintained by the InheritableThreadLocal class.
     */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

threadLocals 和 inheritableThreadLocals 二者的初始值都为 null，并且只有当线程第一次调用 ThreadLocal 的 set 方法或者 get 方法时才会实例化变量。
上述代码也说明，通过 ThreadLocal 为每个线程保存的本地变量不是存储在 ThreadLocal 实例中，而是存储在调用线程的 threadLocals 变量中，它的类型为 ThreadLocal 中的一个内部类 ThreadLocalMap，ThreadLocal 是一个壳子，真正的存储结构是 ThreadLocal 里有 ThreadLocalMap 这么个内部类，实现的类似 map 的功能。
每个线程都有自己的一个 map，map 是一个数组的数据结构存储数据，每个元素是一个 Entry，entry 的 key 是ThreadLocal 的引用，也就是当 ThreadLocal 本身并不存储值，它只是作为 key 来让线程从 ThreadLocalMap 获取 value。所以，得出的结论就是 ThreadLocalMap 该结构本身就在 Thread 下定义，而 ThreadLocal 只是作为 key，存储 set 到 ThreadLocalMap 的变量当然是线程私有的。

3.2 set 方法

ThreadLocal 中的 set 方法的实现逻辑，先获取当前线程，取出当前线程的 ThreadLocalMap ，如果不存在就会创建一个 ThreadLocalMap，如果存在就会把当前的 threadlocal 的引用作为键，传入的参数作为值存入 map 中。代码如下所示：

    public void set(T value) {
    	// 获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 以当前线程为 key，获取 ThreadLocalMap 对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
    	// 获取的 ThreadLocalMap 对象不为空
        if (map != null)
            // 设置 value 的值
            map.set(this, value);
        else
            // 如果为空，实例化 Thrad 类中的 threadLocals 变量
            createMap(t, value);
    }

3.3 get 方法

ThreadLocal 中 get 方法的实现逻辑，获取当前线程，取出当前线程的 ThreadLocalMap ，用当前的threadlocal 作为 key 在 ThreadLocalMap 查找，如果存在不为空的 Entry，就返回 Entry 中的 value，否则就会执行初始化并返回默认的值。代码如下所示：

    public T get() {
        // 获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取当前线程的 threadLocals 成员变量
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 获取的 thradLocals 成员变量不为空
        if (map != null) {
            // 返回本地变量对应的值
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        // 初始化 threadLocals 成员变量的值
        return setInitialValue();
    }

setInitialValue() 源码如下：

    private T setInitialValue() {
        // 调用初始化 value 的方法
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 以当前线程为 key 获取 threadLocals 成员变量
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            // 如果 threadLocals 不为空，则设置 value 的值
            map.set(this, value);
        else
            // threadLocals 为空，则实例化 threadLocals 成员变量
            createMap(t, value);
        return value;
    }

3.4 remove 方法

remove 方法的实现比较简单，根据调用的 getMap 方法获取当前线程的 threadLocals 成员变量，如果当前线程的 threadLocals 成员变量不为空，则直接从当前线程的 threadLocals 成员变量中移除当前 ThreadLocal 对象对应的 value 值，源码如下：

     public void remove() {
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
         if (m != null)
             m.remove(this);
     }