前言
多线程在访问同一个共享变量时很可能会出现并发问题，特别是在多线程对共享变量进行写入时，那么除了加锁还有其他方法避免并发问题吗？本文将详细讲解 ThreadLocal 的使用及其源码。
一、什么是 ThreadLocal？
ThreadLocal 是 JDK 包提供的，它提供了线程本地变量，也就是说，如果你创建了一个 ThreadLocal 变量，那么访问这个变量的每一个线程，都创建这个变量的一个本地副本。
这样可以解决什么问题呢？当多个线程操作这个变量时，实际操作的是自己线程本地内存里的数据，从而避免线程安全问题。
如下图，线程表中的每个线程，都有自己 ThreadLocal 变量，线程操作这个变量只是在自己的本地内存在，跟其他线程是隔离的。
二、如何使用 ThreadLocal
ThreadLocal 就是一个简单的容器，使用起来也没有难度，初始化后仅需通过 get/set 方法进行操作即可。
如下代码，开辟两个线程对 ThreadLocal 变量进行操作，获取的值是不同的。
public class FuXing {/*** 初始化ThreadLocal*/private static final ThreadLocal<String> myThreadLocal = new ThreadLocal<>();public static void main (String[] args) {// 线程1中操作 myThreadLocalnew Thread(()->{myThreadLocal.set("thread 1"); //set方法设置值System.out.println(myThreadLocal.get()); //get方法获取值"thread 1"},"thread 1").start();// 线程2中操作 myThreadLocalnew Thread(()->{myThreadLocal.set("thread 2"); //set方法设置值System.out.println(myThreadLocal.get()); //get方法获取值"thread 2"},"thread 2").start();}}
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三、ThreadLocal 实现原理
ThreadLocal 是如何保证操作的对象只被当前线程进行访问呢，我们通过源码一起进行分析学习。
一般分析源码我们都先看它的构造方法是如何初始化的，接着通过对 ThreadLocal 的简单使用，我们知道了关键的两个方法 set/get，所以源码分析也按照这个顺序。
1. 构造方法
泛型类的空参构造，没有什么特别的
2. set 方法源码
源码如下，ThreadLocalMap 是什么呢？由于比较复杂，这里先不做解释，你暂时可以理解为是一个 HashMap，其中 key 为 ThreadLocal 当前对象，value 就是我们设置的值，后面会单独解释源码。
public void set(T value) {//获取本地线程Thread t = Thread.currentThread();//获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMapThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null)//获取到则添加值map.set(this, value);else//否则初始化ThreadLocalMap --第一次设置值createMap(t, value);}
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void createMap(Thread t, T firstValue) {t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);}
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3. get 方法源码
public T get() {//获取本地线程Thread t = Thread.currentThread();//获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMapThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null) {//通过当前的ThreadLocal作为key去获取对应valueThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);if (e != null) {//@SuppressWarnings忽略告警的注解//"unchecked"表示未经检查的转换相关的警告，通常出现在泛型编程中@SuppressWarnings("unchecked")T result = (T)e.value;return result;}}//threadLocals为空或它的Entry为空时，需要对其进行初始化操作。return setInitialValue();}
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private T setInitialValue() {//初始化为nullT value = initialValue();//获取当前线程Thread t = Thread.currentThread();//获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMapThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null)map.set(this, value);elsecreateMap(t, value);//返回的其实就是个nullreturn value;}
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protected T initialValue() {return null;}
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4. remove 方法源码
核心也是 ThreadLocalMap 中的 remove 方法，会删除 key 对应的 Entry，具体源码后面统一在 ThreadLocalMap 源码中分析。
public void remove() {//获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMapThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());if (m != null)//通过当前的ThreadLocal作为key调用removem.remove(this);}
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5. ThreadLocalMap 源码
ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的一个静态内部类，看了上面的几个源码解释，可以了解到 ThreadLocalMap 其实才是核心。
简单的说，ThreadLocalMap 与 HashMap 类似，如，初始容量 16，一定范围内扩容，Entry 数组存储等，那它与 HashMap 有什么不同呢，下面将对源码进行详解。
ThreadLocalMap 的底层数据结构：
5.1 常量
//初始容量，一定是2的幂等数。private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;// Entry 数组private Entry[] table;//table的长度private int size = 0;//扩容阈值private int threshold;//设置扩容阈值，长度的 2 / 3private void setThreshold(int len) {threshold = len * 2 / 3;}//计算下一个存储位置private static int nextIndex(int i, int len) {return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);}// 计算前一个存储位置private static int prevIndex(int i, int len) {return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);}
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5.2 Entry 相关源码
由于 Entry 是底层核心源码，所有的操作几乎都是围绕着它来进行的，所以关于 Entry 的源码会比较多，我一一拆分进行分析讲解。
静态内部类 Entry
这个是 ThreadLocalMap 的底层数据结构，Entry 数组，每个 Entry 对象，这里的 Entry 继承了 WeakReference，关于弱引用不懂得，可以看我的另一篇文章《Java 引用》。
然后将 Entry 的 key 设置承了 弱引用，这有什么作用呢？作用是当 ThreadLocal 失去强引用后，在系统 GC 时，只要发现弱引用，不管系统堆空间使用是否充足，都会回收掉 key，进而 Entry 被内部清理。
//静态内部类Entrystatic class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {Object value;Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {// key为弱引用super(k);value = v;}}
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获取 Entry
拿到当前线程中对应的 ThreadLocal 所在的 Entry，找不到的话会重新寻找，因为当前的 Entry 可能已经扩容，扩容后会重新计算索引位置，详情见扩容机制源码。
源码中的计算索引位置的算法我没有解释，这个我会放在后面解释，涉及到了如何解决 Hash 冲突的问题，这个和我们熟知的 HashMap 是不同的。
//获取Entryprivate Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {//计算索引位置int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);Entry e = table[i];//找到了就返回Entryif (e != null && e.get() == key)return e;else//没找到则重新寻找，因为可能发生扩容导致索引重新计算return getEntryAfterMiss(key, i, e);}//重新获取Entry --从当前索引i的位置向后搜索private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {Entry[] tab = table;int len = tab.length;//循环遍历，获取对应的 ThreadLocal 所在的 Entrywhile (e != null) {//获取Entry对象的弱引用，WeakReference的方法ThreadLocal<?> k = e.get();if (k == key)return e;if (k == null)//清除无效 Entry，详解见下方expungeStaleEntry(i);else//计算下一个索引位置i = nextIndex(i, len);//可以理解为指针后移e = tab[i];}return null;}
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清除无效 Entry
expunge 删除，抹去，stale 陈旧的，没有用的
第 1 个方法：根据索引删除对应的桶位，并从给定索引开始，遍历清除无效的 Entry，何为无效？就是当 Entry 的 key 为 null 时，代表 key 已经被 GC 掉了，对应的 Entry 就无效了。
第 2 个方法：删除 Entry 数组中所有无效的 Entry，方法中的e.get() == null，代表 key 被回收了。
第 3 个方法：清除一些失效桶位，它执行对数数量的扫描，向后遍历 logn 个位置，如 8，4，2，1。
方法 2、3 最后都通过方法 1 进行桶位的删除。
//根据索引删除对应的桶位private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {Entry[] tab = table;int len = tab.length;//删除该桶位的元素，并将数组长度减1tab[staleSlot].value = null;tab[staleSlot] = null;size--;Entry e;int i;//从当前索引开始，直到当前 Entry为null才会停止遍历for (i = nextIndex(staleSlot, len);(e = tab[i]) != null;i = nextIndex(i, len)) {//获取Entry对象的弱引用，WeakReference的方法ThreadLocal<?> k = e.get();if (k == null) {//说明key已失效//删除该桶位的元素，并将数组长度减1e.value = null;tab[i] = null;size--;} else {//说明key有效，需要将其Rehash//计算rehash后索引位置int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);if (h != i) {tab[i] = null;//移动元素位置，若rehash后索引位置有其他元素，则继续向后移动，直至为空while (tab[h] != null)h = nextIndex(h, len);tab[h] = e;}}}//直到当前 Entry为null才会停止遍历，i为其索引return i;}//删除Entry数组中所有无效的Entry，用于rehash时private void expungeStaleEntries() {Entry[] tab = table;int len = tab.length;for (int j = 0; j < len; j++) {Entry e = tab[j];//获取Entry对象的弱引用，Entry不为空而弱引用为空，代表被GC了if (e != null && e.get() == null)//根据索引删除对应的桶位expungeStaleEntry(j);}}//清楚一些清除桶位，它执行对数数量的扫描private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {boolean removed = false;Entry[] tab = table;int len = tab.length;//向后遍历logn个位置，如8，4，2，1do {i = nextIndex(i, len);Entry e = tab[i];//获取Entry对象的弱引用，Entry不为空而弱引用为空，代表被GC了if (e != null && e.get() == null) {n = len;removed = true;//根据索引删除对应的桶位i = expungeStaleEntry(i);}} while ( (n >>>= 1) != 0);//对数递减return removed;}
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