深入剖析ThreadLocal使用场景、实现原理、设计思想

2023-09-28 20:46 由菜菜的后端私房菜发表于 #后端开发

前言

ThreadLocal可以用来存储线程的本地数据，做到线程数据的隔离

ThreadLocal的使用不当可能会导致内存泄漏，排查内存泄漏的问题，不仅需要熟悉JVM、利用好各种分析工具还耗费人工

如果能明白其原理并正确使用，就不会导致各种意外发生

本文将从使用场景、实现原理、内存泄漏、设计思想等层面分析ThreadLocal，并顺带聊聊InheritableThreadLocal

ThreadLocal使用场景

什么是上下文？

比如线程处理一个请求，请求会经过MVC流程，由于流程很长，会经历很多方法，这些方法就可以叫上下文

ThreadLocal作用在上下文中存储常用的数据、存储会话信息、存储线程本地变量等

比如使用拦截器在请求处理前，通过请求中的token获取登录用户信息，将用户信息存储在ThreadLocal中，方便后续处理请求时从ThreadLocal中直接获取用户信息

如果线程会重复利用，为了避免数据错乱，使用完（拦截器处理后）应该删除该数据

ThreadLocal 常用的方法有：set()、get()、remove()分别对应存储、获取和删除

可以将ThreadLocal放在工具类中方便使用

public class ContextUtils {
    public static final ThreadLocal<UserInfo> USER_INFO_THREAD_LOCAL = new ThreadLocal();
}

拦截器伪代码

//执行前 存储
public boolean postHandle(HttpServletRequest request)  {
    //解析token获取用户信息
	String token = request.getHeader("token");
	UserInfo userInfo = parseToken(token);   
	//存入
	ContextUtils.USER_INFO_THREAD_LOCAL.set(userInfo);
    
    return true;
}


//执行后 删除
public void postHandle(HttpServletRequest request)  {
    ContextUtils.USER_INFO_THREAD_LOCAL.remove();
}

使用时

//提交订单
public void orderSubmit(){
    //获取用户信息
    UserInfo userInfo = ContextUtils.USER_INFO_THREAD_LOCAL.get();
    //下单
    submit(userInfo);
    //删除购物车
    removeCard(userInfo);
}

为了更好的使用ThreadLocal，我们应该了解其实现原理，避免使用不当造成意外发生

ThreadLocalMap

Thread 线程中有两个字段存储ThreadLocal的内部类ThreadLocalMap

public class Thread implements Runnable {    
    
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
}

threadLocals用于实现ThreadLocal

inheritableThreadLocals 用于实现InheritableThreadLocal （可继承的ThreadLocal 后文再聊）

ThreadLocalMap 的实现是哈希表，其内部类Entry是哈希表的节点，由Entry数组实现哈希表 ThreadLocalMap

public class ThreadLocal<T> {
    //,,,
	static class ThreadLocalMap {
        //...
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            Object value;

            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
	}
}

节点构造中的Key是ThreadLocal，Value是需要存储的值

同时节点继承弱引用，通过泛型和构造可以知道它将ThreadLocal设置为弱引用

不理解弱引用的同学可以查看这篇文章：深入浅出JVM（十四）之内存溢出、泄漏与引用 )

set

在存储数据的方法中

获取ThreadLocalMap，如果没有则初始化ThreadLocalMap（懒加载）

public void set(T value) {
    //获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //获取当前线程的ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
   
    if (map != null) {
        //添加数据
        map.set(this, value);
    } else {
        //没有就初始化
        createMap(t, value);
    }
}

createMap

创建ThreadLocalMap赋值给当前线程的threadLocals

	void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

创建ThreadLocalMap，初始化长度为16的数组

	ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
        //初始化数组 16
        table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
        //获取下标
        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
        //构建节点
        table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
        //设置大小
        size = 1;
        //设置负载因子
        setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
   }

ThreadLocalMap.set

通过哈希获取下标，当发生哈希冲突时，遍历哈希表（不再使用链地址法）直到位置上没有节点再进行构建

遍历期间如果有节点，则根据节点取出key进行比较，如果是则是覆盖；如果节点没有key说明该节点的ThreadLocal被回收（已过期），为了防止内存泄漏会清理节点

最后会检查其他位置有没有已过期的节点进行清理，并检查扩容

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

    //获取哈希表
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    //获取下标
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    //遍历 直到下标上没有节点
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        //获取key
        ThreadLocal<?> k = e.get();
		//key如果存在则覆盖
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
		//如果key不存在 说明该ThreadLocal以及不再使用（GC回收），需要清理防止内存泄漏
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    //构建节点
    tab[i] = new Entry(key, value);
    //计数
    int sz = ++size;
    //清理其他过期的槽，如果满足条件进行扩容
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

获取哈希值时，使用哈希值自增的原子类获取，步长则是每次自增的数量（也许是经过研究、测试的，尽量减少哈希冲突）

	//获取哈希值
    private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
    //哈希值自增器
    private static AtomicInteger nextHashCode =
        new AtomicInteger();
    //增长步长
    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

    //获取哈希值
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }

nextIndex是获取下一个下标，超出上限时回到0

		private static int nextIndex(int i, int len) {
            return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
        }

get

在获取数据时

获取当前线程的ThreadLocalMap，如果为空则初始化，否则获取节点

	public T get() {
        //获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //获取线程的ThreadLocalMap
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            //获取节点
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        //初始化（懒加载）
        return setInitialValue();
    }

在获取节点时，先根据哈希值获取到下标，再查看节点，比较key；如果匹配不上则说明key过期可能发生内存泄漏要去清理哈希表

		private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
            //获取下标
            int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
            Entry e = table[i];
            //如果匹配 则返回
            if (e != null && e.get() == key)
                return e;
            else
                //匹配不到 去清理
                return getEntryAfterMiss(key, i, e);
        }

内存泄漏

在设置、获取数据的过程中，都会去判断key是否过期，如果过期就清理

实际上ThreadLocal使用不当是会造成内存泄漏的

设计者为了避免使用不当导致的内存泄漏，在常用方法中尽量清理这些过期的ThreadLocal

前文说过节点继承弱引用，在构造中设置key为弱引用（也就是ThreadLocal）

当ThreadLocal在任何地方都不被使用时，下次GC会将节点的key设置为空

如果value也不再使用，但是由于节点Entry（null，value）存在，就无法回收value，导致出现内存泄漏

因此使用完数据后，尽量使用remove进行删除

并且设计者在set、get、remove等常用方法中都会检查key为空的节点并删除，避免内存泄漏

设计思想

为什么要把entry中的key，也就是ThreadLocal设置成弱引用？

我们先想象一个场景：线程在我们的服务中经常重复利用，而在某些场景下ThreadLocal并不长期使用

如果节点entry 的key、value都是强引用，一但不再使用ThreadLocal，那么这个ThreadLocal还作为强引用存储在节点中，那么就无法回收，相当于发生内存泄漏

把ThreadLocal设置为弱引用后，这种场景下如果value也不再使用依旧会发生内存泄漏，因此在set、get、remove方法中都会区检查删除key为空的节点，避免内存泄漏

既然value可能无法回收，为什么不把value也设置成弱引用？

由于value存储的是线程隔离的数据，如果将value设置成弱引用，当外层也不使用value对应的对象时，它就没有强引用了，再下次gc被回收，导致数据丢失

InheritableThreadLocal

InheritableThreadLocal 继承 ThreadLocal 用于父子线程间的线程变量传递

	public void testInheritableThreadLocal(){
        InheritableThreadLocal<String> itl = new InheritableThreadLocal<>();

        itl.set("main");

        new Thread(()->{
            //main
            System.out.println(itl.get());
        }).start();
    }

前文说过线程中另一个ThreadLocalMap就是用于InheritableThreadLocal 的

在创建线程时，如果父线程中inheritableThreadLocals 不为空则传递

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
        //....
    
        //如果父线程中inheritableThreadLocals 不为空 则传递
        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
        
    }