硬核剖析ThreadLocal源码，面试官看了直呼内行

工作面试中经常遇到ThreadLocal，但是很多同学并不了解ThreadLocal实现原理，到底为什么会发生内存泄漏也是一知半解？今天一灯带你深入剖析ThreadLocal源码，总结ThreadLocal使用规范，解析ThreadLocal高频面试题。

1. ThreadLocal是什么

ThreadLocal是线程本地变量，就是线程的私有变量，不同线程之间相互隔离，无法共享，相当于每个线程拷贝了一份变量的副本。

目的就是在多线程环境中，无需加锁，也能保证数据的安全性。

2. ThreadLocal的使用

/**
 * @author 一灯架构
 * @apiNote ThreadLocal示例
 **/
public class ThreadLocalDemo {
    // 1. 创建ThreadLocal
    static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 2. 给ThreadLocal赋值
        threadLocal.set("关注公众号:一灯架构");
        // 3. 从ThreadLocal中取值
        String result = threadLocal.get();
        System.out.println(result); // 输出 关注公众号:一灯架构
        
        // 4. 删除ThreadLocal中的数据
        threadLocal.remove();
        System.out.println(threadLocal.get()); // 输出null
    }

}

ThreadLocal的用法非常简单，创建ThreadLocal的时候指定泛型类型，然后就是赋值、取值、删除值的操作。

不同线程之间，ThreadLocal数据是隔离的，测试一下。

/**
 * @author 一灯架构
 * @apiNote ThreadLocal示例
 **/
public class ThreadLocalDemo {
    // 1. 创建ThreadLocal
    static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        IntStream.range(0, 5).forEach(i -> {
           // 创建5个线程，分别给threadLocal赋值、取值
            new Thread(() -> {
                // 2. 给ThreadLocal赋值
                threadLocal.set(i);
                // 3. 从ThreadLocal中取值
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                        + "," + threadLocal.get());
            }).start();
        });
    }

}

输出结果：

Thread-2,2
Thread-4,4
Thread-1,1
Thread-0,0
Thread-3,3

可以看出不同线程之间的ThreadLocal数据相互隔离，互不影响，这样的实现效果有哪些应用场景呢？

3. ThreadLocal应用场景

ThreadLocal的应用场景主要分为两类：

避免对象在方法之间层层传递，打破层次间约束。

比如用户信息，在很多地方都需要用到，层层往下传递，比较麻烦。这时候就可以把用户信息放到ThreadLocal中，需要的地方可以直接使用。
拷贝对象副本，减少初始化操作，并保证数据安全。

比如数据库连接、Spring事务管理、SimpleDataFormat格式化日期，都是使用的ThreadLocal，即避免每个线程都初始化一个对象，又保证了多线程下的数据安全。

使用ThreadLocal保证SimpleDataFormat格式化日期的线程安全，代码类似下面这样：

/**
 * @author 一灯架构
 * @apiNote ThreadLocal示例
 **/
public class ThreadLocalDemo {
    // 1. 创建ThreadLocal
    static ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal =
            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
  public static void main(String[] args) {
        IntStream.range(0, 5).forEach(i -> {
            // 创建5个线程，分别从threadLocal取出SimpleDateFormat，然后格式化日期
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println(threadLocal.get().parse("2022-11-11 00:00:00"));
                } catch (ParseException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }).start();
        });
    }

}

4. ThreadLocal实现原理

ThreadLocal底层使用ThreadLocalMap存储数据，而ThreadLocalMap内部是一个数组，数组里面存储的是Entry对象，Entry对象里面使用key-value存储数据，key是ThreadLocal实例对象本身，value是ThreadLocal的泛型对象值。

4.1 ThreadLocalMap源码

static class ThreadLocalMap {
    // Entry对象，WeakReference是弱引用，当没有引用指向时，会被GC回收
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        // ThreadLocal泛型对象值
        Object value;
        // 构造方法，传参是key-value
        // key是ThreadLocal对象实例，value是ThreadLocal泛型对象值
        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }
  
    // Entry数组，用来存储ThreadLocal数据
    private Entry[] table;
    // 数组的默认容量大小
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
    // 扩容的阈值，默认是数组大小的三分之二
    private int threshold;

    private void setThreshold(int len) {
        threshold = len * 2 / 3;
    }
}

4.2 set方法源码

// 给ThreadLocal设值
public void set(T value) {
    // 获取当前线程对象
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取此线程对象中的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 如果ThreadLocal已经设过值，直接设值，否则初始化
    if (map != null)
        // 设值的key就是当前ThreadLocal对象实例，value是ThreadLocal泛型对象值
        map.set(this, value);
    else
        // 初始化ThreadLocalMap
        createMap(t, value);
}

再看一下实际的set方法源码：

// key就是当前ThreadLocal对象实例，value是ThreadLocal泛型对象值
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    // 获取ThreadLocalMap中的Entry数组
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 计算key在数组中的下标，也就是ThreadLocal的hashCode和数组大小-1取余
    int i = key.threadLocalHashCode & (len - 1);

    // 查找流程：从下标i开始，判断下标位置是否有值，
    // 如果有值判断是否等于当前ThreadLocal对象实例，等于就覆盖，否则继续向后遍历数组，直到找到空位置
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
        // nextIndex 就是让在不超过数组长度的基础上，把数组的索引位置 + 1
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        // 如果等于当前ThreadLocal对象实例，直接覆盖
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
        // 当前key是null，说明ThreadLocal对象实例已经被GC回收了，直接覆盖
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }
    // 找到空位置，创建Entry对象
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    // 当数组大小大于等于扩容阈值(数组大小的三分之二)时，进行扩容
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

set方法具体流程如下：

从源码和流程图中得知，ThreadLocal是通过线性探测法解决哈希冲突的，线性探测法具体赋值流程如下：

通过key的hashcode找到数组下标
如果数组下标位置是空或者等于当前ThreadLocal对象，直接覆盖值结束
如果不是空，就继续向下遍历，遍历到数组结尾后，再从头开始遍历，直到找到数组为空的位置，在此位置赋值结束

线性探测法这种特殊的赋值流程，导致取值的时候，也要走一遍类似的流程。

4.3 get方法源码

// 从ThreadLocal从取值
public T get() {
    // 获取当前线程对象
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取此线程对象中的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        // 通过ThreadLocal实例对象作为key，在Entry数组中查找数据
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        // 如果不为空，表示找到了，直接返回
        if (e != null) {
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    // 如果ThreadLocalMap是null，就执行初始化ThreadLocalMap操作
    return setInitialValue();
}

再看一下具体的遍历Entry数组的逻辑：

// 具体的遍历Entry数组的方法
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    // 通过hashcode计算数组下标位置
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    // 如果下标位置对象不为空，并且等于当前ThreadLocal实例对象，直接返回
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
        // 如果不是，需要继续向下遍历Entry数组
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

再看一下线性探测法特殊的取值方法：

// 如果不是，需要继续向下遍历Entry数组
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 循环遍历数组，直到找到ThreadLocal对象，或者遍历到数组为空的位置
    while (e != null) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        // 如果等于当前ThreadLocal实例对象，表示找到了，直接返回
        if (k == key)
            return e;
        // key是null，表示ThreadLocal实例对象已经被GC回收，就帮忙清除value
        if (k == null)
            expungeStaleEntry(i);
        else
           // 索引位置+1，表示继续向下遍历
            i = nextIndex(i, len);
        e = tab[i];
    }
    return null;
}

// 索引位置+1，表示继续向下遍历，遍历到数组结尾，再从头开始遍历
private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

ThreadLocal的get方法流程如下：

4.4 remove方法源码

remove方法流程跟set、get方法类似，都是遍历数组，找到ThreadLocal实例对象后，删除key、value，再删除Entry对象结束。

public void remove() {
    // 获取当前线程的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

// 具体的删除方法
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
    ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 计算数组下标
    int i = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
    // 遍历数组，直到找到空位置，
    // 或者值等于当前ThreadLocal对象，才结束
    for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        // 找到后，删除key、value，再删除Entry对象
        if (e.get() == key) {
            e.clear();
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}

5. ThreadLocal使用注意事项

使用ThreadLocal结束，一定要调用remove方法，清理掉threadLocal数据。具体流程类似下面这样：

/**
 * @author 一灯架构
 * @apiNote ThreadLocal示例
 **/
public class ThreadLocalDemo {
    // 1. 创建ThreadLocal
    static ThreadLocal<User> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public void method() {
        try {
            User user = getUser();
            // 2. 给threadLocal赋值
            threadLocal.set(user);
            // 3. 执行其他业务逻辑
            doSomething();
        } finally {
            // 4. 清理threadLocal数据
            threadLocal.remove();
        }
    }
}

如果忘了调用remove方法，可能会导致两个严重的问题：

导致内存溢出

如果线程的生命周期很长，一直往ThreadLocal中放数据，却没有删除，最终产生OOM
导致数据错乱

如果使用了线程池，一个线程执行完任务后并不会被销毁，会继续执行下一个任务，导致下个任务访问到了上个任务的数据。

6. 常见面试题剖析

看完了ThreadLocal源码，再回答几道面试题，检验一下学习成果怎么样。

6.1 ThreadLocal是怎么保证数据安全性的？

ThreadLocal底层使用的ThreadLocalMap存储数据，而ThreadLocalMap是线程Thread的私有变量，不同线程之间数据隔离，所以即使ThreadLocal的set、get、remove方法没有加锁，也能保证线程安全。

6.2 ThreadLocal底层为什么使用数组？而不是一个对象？

因为在一个线程中可以创建多个ThreadLocal实例对象，所以要用数组存储，而不是用一个对象。

6.3 ThreadLocal是怎么解决哈希冲突的？

ThreadLocal使用的线性探测法法解决哈希冲突，线性探测法法具体赋值流程如下：

通过key的hashcode找到数组下标
如果数组下标位置是空或者等于当前ThreadLocal对象，直接覆盖值结束
如果不是空，就继续向下遍历，遍历到数组结尾后，再从头开始遍历，直到找到数组为空的位置，在此位置赋值结束

6.4 ThreadLocal为什么要用线性探测法解决哈希冲突？

我们都知道HashMap采用的是链地址法（也叫拉链法）解决哈希冲突，为什么ThreadLocal要用线性探测法解决哈希冲突？而不用链地址法呢？

我的猜想是可能是创作者偷懒、嫌麻烦，或者是ThreadLocal使用量较少，出现哈希冲突概率较低，不想那么麻烦。

使用链地址法需要引入链表和红黑树两种数据结构，实现更复杂。而线性探测法没有引入任何额外的数据结构，直接不断遍历数组。

结果就是，如果一个线程中使用很多个ThreadLocal，发生哈希冲突后，ThreadLocal的get、set性能急剧下降。

线性探测法相比链地址法优缺点都很明显：

优点： 实现简单，无需引入额外的数据结构。

缺点： 发生哈希冲突后，ThreadLocal的get、set性能急剧下降。

6.5 ThreadLocalMap的key为什么要设计成弱引用？

先说一下弱引用的特点：

弱引用的对象拥有更短暂的生命周期，在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

ThreadLocalMap的key设计成弱引用后，会不会我们正在使用，就被GC回收了？

这个是不会的，因为我们一直在强引用着ThreadLocal实例对象。

/**
 * @author 一灯架构
 * @apiNote ThreadLocal示例
 **/
public class ThreadLocalDemo {
    // 1. 创建ThreadLocal
    static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 2. 给ThreadLocal赋值
        threadLocal.set("关注公众号:一灯架构");
        // 3. 从ThreadLocal中取值
        String result = threadLocal.get();
        // 手动触发GC
        System.gc();
        System.out.println(result); // 输出 关注公众号:一灯架构

    }

}

由上面代码中得知，如果我们一直在使用threadLocal，触发GC后，并不会threadLocal实例对象。

ThreadLocalMap的key设计成弱引用的目的就是：

防止我们在使用完ThreadLocal后，忘了调用remove方法删除数据，导致数组中ThreadLocal数据一直不被回收。

/**
 * @author 一灯架构
 * @apiNote ThreadLocal示例
 **/
public class ThreadLocalDemo {
    // 1. 创建ThreadLocal
    static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 2. 给ThreadLocal赋值
        threadLocal.set("关注公众号:一灯架构");
        // 3. 使用完threadLocal，设置成null，模仿生命周期结束
        threadLocal = null;
        // 触发GC，这时候ThreadLocalMap的key就会被回收，但是value还没有被回收。
        // 只有等到下次执行get、set方法遍历数组，遍历到这个位置，才会删除这个无效的value
        System.gc();
    }

}

6.6 ThreadLocal为什么会出现内存泄漏？

ThreadLocal出现内存泄漏的原因，就是我们使用完ThreadLocal没有执行remove方法删除数据。

具体是哪些数据过多导致的内存泄漏呢？

一个是数组的Entry对象，Entry对象中key、value分别是ThreadLocal实例对象和泛型对象值。

因为我们在使用ThreadLocal的时候，总爱把ThreadLocal设置成类的静态变量，直到线程生命周期结束，ThreadLocal对象数据才会被回收。

另一个是数组中Entry对象的value值，也就是泛型对象值。虽然ThreadLocalMap的key被设置成弱引用，会被GC回收，但是value并没有被回收。需要等到下次执行get、set方法遍历数组，遍历到这个位置，才会删除这个无效的value。这也是造成内存泄漏的原因之一。

6.7 怎么实现父子线程共享ThreadLocal数据？

只需要InheritableThreadLocal即可，当初始化子线程的时候，会从父线程拷贝ThreadLocal数据。

/**
 * @author 一灯架构
 * @apiNote ThreadLocal示例
 **/
public class ThreadLocalDemo {
    // 1. 创建可被子线程继承数据的ThreadLocal
    static ThreadLocal<String> threadLocal = new InheritableThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 2. 给ThreadLocal赋值
        threadLocal.set("关注公众号:一灯架构");

        // 3. 启动一个子线程，看是否能获取到主线程数据
        new Thread(() -> {
            System.out.println(threadLocal.get()); // 输出 关注公众号:一灯架构
        }).start();

    }

}

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硬核剖析ThreadLocal源码，面试官看了直呼内行原创

1. ThreadLocal是什么

2. ThreadLocal的使用

3. ThreadLocal应用场景

4. ThreadLocal实现原理

4.1 ThreadLocalMap源码

4.2 set方法源码

4.3 get方法源码

4.4 remove方法源码

5. ThreadLocal使用注意事项

6. 常见面试题剖析

6.1 ThreadLocal是怎么保证数据安全性的？

6.2 ThreadLocal底层为什么使用数组？而不是一个对象？

6.3 ThreadLocal是怎么解决哈希冲突的？

6.4 ThreadLocal为什么要用线性探测法解决哈希冲突？

6.5 ThreadLocalMap的key为什么要设计成弱引用？

6.6 ThreadLocal为什么会出现内存泄漏？

6.7 怎么实现父子线程共享ThreadLocal数据？

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