java基础之ThreadLocal详解

ThreadLocal是面试重灾区，但是好像我没遇到过有人问，尴尬脸，不过我们不能做砧板上的鱼肉静静等待宰割，分为两篇来讲解其中的用法和原理。这是第一篇。

一、ThreadLocal简介

ThreadLocal类用来提供线程内部的局部变量。这些变量在多线程环境下访问(通过get或set方法访问)时能保证各个线程里的变量相对独立于其他线程内的变量，ThreadLocal实例通常来说都是private static类型。

ThreadLocal类提供了四个对外开放的接口方法，这也是用户操作ThreadLocal类的基本方法：

• void set(Object value)设置当前线程的线程局部变量的值。
• public Object get()该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
• public void remove()将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。
• protected Object initialValue()返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次，ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

一个简单的小例子来感受ThreadLocal到底是什么以及怎么用：

运行结果：

Thread-0
张三
李四
王五
Thread-1
Chinese
English

分析

可以，看出虽然多个线程对同一个变量进行访问，但是由于threadLocal变量由ThreadLocal 修饰，则不同的线程访问的就是该线程设置的值，这里也就体现出来ThreadLocal的作用。

当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。

二、扒开JDK threadlocal神秘面纱

threadlocal的原理图为：

那ThreadLocal内部是如何为每一个线程维护变量副本的呢？到底是什么原理呢？

先来看一下ThreadLocal的set()方法的源码是如何实现的：

我们看到，首先通过getMap(Thread t)方法获取一个和当前线程相关的ThreadLocalMap，然后将变量的值设置到这个ThreadLocalMap对象中，当然如果获取到的ThreadLocalMap对象为空，就通过createMap方法创建。

我们再往下面去一点，比如map.set方法到底是怎么实现的？

结合上面的图，其实我们可以发现，数据并不是放在所谓的Map集合中，而是放进了一个Entry数组中，这个entry索引是上面计算好的，entry的key是指向threadLocal的一个软引用，value是指向真实数据的一个强引用，以后再获取的时候，再以同样的方式计算得到索引下标即可。

上面代码出现的 ThreadLocalMap 是什么？

ThreadLocalMap是ThreadLocal类的一个静态内部类，它实现了键值对的设置和获取（对比Map对象来理解），每个线程中都有一个独立的ThreadLocalMap副本，它所存储的值，只能被当前线程读取和修改。

我们深入看一下getMap和createMap的实现

getMap:

createMap:

代码非常直白，就是获取和设置Thread内的一个叫threadLocals的变量，而这个变量的类型就是ThreadLocalMap，这样进一步验证了上文中的观点：每个线程都有自己独立的ThreadLocalMap对象。

Thread源码中的threadLocals：

我们接着看ThreadLocal中的get方法如下

• 第一步 先获通过Thread.currentThread（）取当前线程
• 第二步 然后获取当前线程的threadLocals属性
• 第三步 在threadLocals属性里获取Entry实例
• 第四部 从Entry实例的value属性里获取到最后所要的Object对象

接下来讨论一下上面出现的ThreadLocalMap类以及Entry类，直接贴源码

Entry是ThreadLocalMap的内部类，而且ThreadLocalMap里拥有一个类型为Entry[]的table属性，而且每个线程实例有自己的ThreadLocalMap。到这里结论已经很明显了：负责保存ThreadLocal的key和value根本就不是一个Map类型，而是一个Entry数组!

Entry继承WeakReference，因此继承拥有一个弱引用referent，而且自身也有一个value属性。Entry利用referent来保存threadLocal实例的弱引用，利用value保存Object的强引用。至于为什么一个是强引用，一个是弱引用，我们在下一篇中来探讨。

最后的问题是怎样在Entry数组里定位我们需要的Entry呢?其实上面在set的时候已经大概知道了，现在再来看看代码吧：

留意key.threadLocalHashCode这个属性，Entry在保存进Entry[]数组之前，会利用ThreadLocal的引用计算出一个hash值，然后利用这个hash值作为下标定位到Entry[]数组的某个位置；

原理总结：ThreadLocal类并没有一个Map来保存数据，数据都是保存在线程实例上的；客户端访问ThreadLocal实例的get方法，get方法通过Thread.getCurrentThread获得当前线程的实例，从而获得当前线程的ThreadLocalMap对象，而ThreadLocalMap里包含了一个Entry数组，里面的每个Entry保存了ThreadLocal引用以及Object引用，Entry的referent保存ThreadLocal的弱引用，Entry的value保存Object的强引用。

三、threadLoca应用

threadlocal实现的可复用的耗时统计工具Profiler

运行结果：

Thread-0耗时： 1000
Thread-1耗时： 1999

threadLocal实现数据库连接线程隔离

通过调用ConnectionManager.getConnection()方法，每个线程获取到的，都是和当前线程绑定的那个Connection对象，第一次获取时，是通过initialValue()方法的返回值来设置值的。通过ConnectionManager.setConnection(Connection conn)方法设置的Connection对象，也只会和当前线程绑定。这样就实现了Connection对象在多个线程中的完全隔离。

在Spring容器中管理多线程环境下的Connection对象时，采用的思路和以上代码非常相似。

四、threadLocal缺陷

ThreadLocal变量的这种隔离策略，也不是任何情况下都能使用的。

如果多个线程并发访问的对象实例只能创建那么一个，那就没有别的办法了，老老实实的使用同步机制吧。

下一篇探讨ThreadLocal 内存泄漏问题。

参考：

• 深入理解ThreadLocal