ThreadLocal 线程本地存储
ThreadLocal | 线程本地存储
并发场景下，多个线程同时读写共享变量就有可能产生并发安全问题。反过来也可以说，不存在共享变量，就不会出现线程安全问题。Java中有两种常用的避免共享变量的方法，使用局部变量，以及使用 ThreadLocal。
局部变量存在于每个线程内部的调用栈中，多个线程之间互相访问不到对方的局部变量，这就叫做线程封闭。如下图所示，局部变量存在于线程各自的调用栈中，线程之间互不打扰。
局部变量，线程封闭
采用局部变量的方案，的确避免了变量被多个线程共享，同时它也禁止同一个线程中不同方法共享这个变量。然而，单线程中不同的方法之间共享变量是不会导致线程安全问题的。
如果想让同一个线程，不同的方法共享变量就可以使用 ThreadLocal，Java 提供的线程本地存储方案。ThreadLocal 可以保证同一个变量，该线程中的方法看到的值是一样，不同线程之间却是隔离。
ThreadLocal 的使用方法
常规使用 ThreadLocal 的方式很简单，创建一个 ThreadLocal 对象，然后调用它的 set(value)方法设置值，再调用 get() 方法获取这个 ThreadLocal 对象对应的value。
// 创建一个 ThreadLocal
ThreadLocal<String> tl = new ThreadLocal<>();
// set方法
tl.set("深页");
// get方法
tl.get();
ThreadLocal 类的注释中还带有为每个线程分配自增 id 的示例代码。withInitial()方法会调用initialValue()方法，为 ThreadLocal 设置 get() 的初始值。执行下面的代码，可以看到每个类都有自己的id，并且id的自增的。
public class ThreadId {
// Integer类型的原子类，用来分配Id，保证其本身是线程安全的
private static final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger();
// 创建一个 ThreadLocal 变零，并且为其赋值
private static ThreadLocal <Integer> threadId = ThreadLocal.withInitial(
() -> nextId.getAndIncrement()
);
// 获取id，即从ThreadLocal中获取对应的值
public static int getId() {
return threadId.get();
}
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(() ->
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ ": " + ThreadId.getId()))
.start();
}
}
}
ThreadLocal还有一个经典的使用案例，就是将线程不安全的 SimpleDateFormat 类封装成线程安全的，原理其实和上面的例子是一样：
static class SafeDateFormat {
static final ThreadLocal<DateFormat> tl = ThreadLocal.withInitial(
()-> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")
);
static DateFormat get() {
return tl.get();
}
}
ThreadLocal的底层原理
先来看 set() 方法：
- 首先获取当前线程，然后通过当前线程获取线程持有的局部变量 threadLocals
- 如果返回的 map 不是空的就设置值
- 如果返回的 map 是空的，就调用构造方法初始化 map 并为其设置值
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
再看 get() 方法：
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
// getMap()返回当前线程的threadLocals
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
// map存在返回当前ThreadLocal对应的value值
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
// map不存在就初始化
return setInitialValue();
}
看过上面两个方法，可以看到它们除了涉及到 Thread 类，还涉及到了一个类 ThreadLocalMap。那么 Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap 之间是什么关系呢？
ThreadLocal 的数据结构
ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的静态内部类，ThreadLocalMap 的底层是一个 Entry[] table 数组，Entry 是 ThreadLocalMap 的静态内部类，以 ThreadLocal 作为 key，以设置的值作为 value，如下所示：
static class Entry extends WeakReference <ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
Thread 持有一个 ThreadLocalMap 的引用 threadLocals：
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
所以说，我们通过当前线程 Thread t 可以到 t 持有的 ThreadLocalMap，并且通过 ThreadLocal 对象返回其对应的 value。
ThreadLocal 内存泄露问题
使用 Thread.start() 方法是不会产生内存泄露的问题的，只有当我们在线程池中使用 ThreadLocal 才有可能产生内存泄露问题。
内存泄露的本质是长生命周期的对象，持有短生命周期对象。当短生命周期的对象使用结束之后，理应被垃圾回收器回收，但是它却被一个更长生命周期的对象引用。通过可达性分析算法，该短生命周期的对象被一个GC Root引用，理应被回收的它就无法被回收。
那为什么在线程池中使用ThreadLocal就可能发生内存泄露的问题呢？我们就从长生命周期的对象，持有短生命周期对象这个角度进行分析。
图片来自于网络
线程池作为一种池化资源技术，目的是避免线程的频繁创建和销毁。一般来说，线程池中的线程生命周期都很长，是和应用程序同生共死的。这就意味着，被 Thread 持有的 ThreadLocalMap 一直都不会被回收。
ThreadLocalMap 底层是一个 Entry 数组，Entry是<ThreadLocal,value>对结构。 Entry 对 ThreadLocal 是弱引用（WeakReference），所以ThreadLocal 生命周期之后，是结束是可以被回收掉的。但是 Entry 对 value 强引用的，所以即便 Value 的生命周期结束了，Value 也是无法被回收的，从而导致内存泄露。
InheritableThreadLocal 与继承性
使用 ThreadLocal 还有这样一种需求，ThreadLocal 创建了线程变量 V，然后希望该线程创建的子线程也能访问到父线程的线程变量 V。
为此 Java 提供了 InheritableThreadLocal 来支持这种特性，InheritableThreadLocal 继承自 ThreadLocal，用法其实和 ThreadLocal 一样。
public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
最后做一个小结，多线程同时读写共享变量就有可能产生并发问题。一种解决并发问题的思路就是避免变量被共享。与之对应的技术有线程隔离（局部变量），以及线程本地存储ThreadLocal。
相比于使用局部变量，ThreadLocal 存储的变量可以供线程中的方法共享，单线程对共享变量的读写必定是线程安全的。
