深入理解 ThreadLocal (这些细节不应忽略)
前言
对于 ThreadLocal 的使用，并不难。但要深入理解 ThreadLocal 的实现方式，需要细细揣摩。写本文前，我在网上看了很多关于 ThreadLocal 的分析，但却感到遗憾，因为很多文章存在着一定误区，包括一些大牛关于 ThreadLocal 内存溢出的讲解。更遗憾的是，我并没有在网上看到关于 ThreadLocal 中很多巧妙的设计的讲解，如 ThreadLocal 的 hashCode 算法，ThreadLocalMap 中的 开方地址发 等，探究这些可以更深入理解 ThreadLocal 的设计思想。
简介
ThreadLocal 用一种存储变量与线程绑定的方式，在每个线程中用自己的 ThreadLocalMap 安全隔离变量，为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路，如为每个线程创建一个独立的数据库连接。因为是线程绑定的，所以在很多场景也被用来实现线程参数传递，如 Spring 的 RequestContextHolder。也因为每个线程拥有自己唯一的 ThreadLocalMap ，所以 ThreadLocalMap 是天然线程安全的。
ThreadLocal 存储结构
首先我们来聊一聊 ThreadLocal 在多线程运行时，各线程是如何存储变量的，假如我们现在定义两个 ThreadLocal 实例如下：
static ThreadLocal<User> threadLocal_1 = new ThreadLocal<>();
static ThreadLocal<Client> threadLocal_2 = new ThreadLocal<>();
我们分别在三个线程中使用 ThreadLocal，伪代码如下：
// thread-1中
threadLocal_1.set(user_1);
threadLocal_2.set(client_1);
// thread-2中
threadLocal_1.set(user_2);
threadLocal_2.set(client_2);
// thread-3中
threadLocal_2 .set(client_3);
这三个线程都在运行中，那此时各线程中的存数数据应该如下图所示：(在手机上画的简图，字有点小，意思还是表达出来了)
ThreadLocal运行时结构
每个线程持有自己的 ThreadLocalMap，ThreadLocalMap 初始容量为16（即图中的16个槽位），在调用ThreadLocal 的 set 方法时，将以 ThreadLocal 为 Key 存储在 本线程的 ThreadLocalMap 里面，ThreadLocalMap 的 Value 为Object 类型，实际类型由 ThreadLocal 定义。图没有看懂的不要紧，一步一步往下看其运行原理，再回头看图，会有更清晰的理解。
ThreadLocal public方法
1. ThreadLocal 之 set() 方法
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread(); // 获取当前线程
ThreadLocalMap map = getMap(t); // 拿到当前线程的 ThreadLocalMap
if (map != null) // 判断 ThreadLocalMap 是否存在
map.set(this, value); // 调用 ThreadLocalMap 的 set 方法
else
createMap(t, value); // 创建 ThreadLocalMap
}
第一次调用时需要 creatMap，创建方式比较简单，不详解。这里重要的还是 ThreadLocalMap 的 set 方法。
2. ThreadLocal 之 get() 方法
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); //调用 ThreadLocalMap 的 getEntry 方法
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
return setInitialValue(); // 如果还没有设置，可以用子类实现 initialValue ，自定义初始值。
}
3. ThreadLocal 之 remove() 方法
public void remove() {
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
m.remove(this); // 调用 ThreadLocalMap 的 remove方法
}
这里罗列了 ThreadLocal 的几个public方法，其实所有工作最终都落到了 ThreadLocalMap 的头上，ThreadLocal 仅仅是从当前线程取到 ThreadLocalMap 而已，具体执行，请看下面对 ThreadLocalMap 的分析。
ThreadLocalMap
ThreadLocalMap 简介：
ThreadLocalMap 是ThreadLocal 内部的一个Map实现，然而它并没有实现任何集合的接口规范，因为它仅供内部使用，数据结构采用 数组 + 开方地址法，Entry 继承 WeakReference，是基于 ThreadLocal 这种特殊场景实现的 Map，它的实现方式很值得研究。
ThreadLocalMap 的 Entry 定义如下：
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
Entry 继承 WeakReference，以 ThreadLocal 为 key，类似 WeakHashMap ，对内存敏感。虽然继承 WeakReference，但只能实现对 Reference 的 key 的回收，而对 value 的回收需要手动解决。value 何时被回收？ 如果没有理解 value 的回收时间，那可能留下内存溢出的隐患。
PS：当 map.get() = null 的时候本文中将它称为 **过期**。
ThreadLocalMap 核心方法：
1. ThreadLocalMap 之 key 的 hashCode 计算
ThreadLocalMap 的 key 是 ThreadLocal，但它不会传统的调用 ThreadLocal 的 hashCode 方法（继承自Object 的 hashCode），而是调用 nextHashCode() ，具体运算如下：
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
//1640531527 这是一个神奇的数字，能够让hash槽位分布相当均匀
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
在 ThreadLocalMap 中 的 hashCode 全部使用 threadLocalHashCode 字段。threadLocalHashCode 用 final 修饰，不可变。threadLocalHashCode 的生成调用 nextHashCode()，所有 ThreadLocalMap 的 hashCode 使用静态的 AtomicInteger 每次增加 1640531527 来产生，对于魔数 1640531527 的工作原理，数学思想比较多，这里写个demo看一下基于这种方式产生的hash分布多均匀：
public class ThreadLocalTest {
public static void main(String[] args) {
printAllSlot(8);
printAllSlot(16);
printAllSlot(32);
}
static void printAllSlot(int len) {
System.out.println("********** len = " + len + " ************");
for (int i = 1; i <= 64; i++) {
ThreadLocal<String> t = new ThreadLocal<>();
int slot = getSlot(t, len);
System.out.print(slot + " ");
if (i % len == 0)
System.out.println(); // 分组换行
}
}
/**
* 获取槽位
*
* @param t ThreadLocal
* @param len 模拟map的table的length
* @throws Exception
*/
static int getSlot(ThreadLocal<?> t, int len) {
int hash = getHashCode(t);
return hash & (len - 1);
}
/**
* 反射获取 threadLocalHashCode 字段，因为其为private的
*/
static int getHashCode(ThreadLocal<?> t) {
Field field;
try {
field = t.getClass().getDeclaredField("threadLocalHashCode");
field.setAccessible(true);
return (int) field.get(t);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return 0;
}
}
上述代码模拟了 ThreadLocal 做为 key 的hashCode产生，看看完美槽位分配：
********** len = 8 ************
2 1 0 7 6 5 4 3
2 1 0 7 6 5 4 3
2 1 0 7 6 5 4 3
2 1 0 7 6 5 4 3
2 1 0 7 6 5 4 3
2 1 0 7 6 5 4 3
2 1 0 7 6 5 4 3
2 1 0 7 6 5 4 3
********** len = 16 ************
10 1 8 15 6 13 4 11 2 9 0 7 14 5 12 3
10 1 8 15 6 13 4 11 2 9 0 7 14 5 12 3
10 1 8 15 6 13 4 11 2 9 0 7 14 5 12 3
10 1 8 15 6 13 4 11 2 9 0 7 14 5 12 3
********** len = 32 ************
10 17 24 31 6 13 20 27 2 9 16 23 30 5 12 19 26 1 8 15 22 29 4 11 18 25 0 7 14 21 28 3
10 17 24 31 6 13 20 27 2 9 16 23 30 5 12 19 26 1 8 15 22 29 4 11 18 25 0 7 14 21 28 3
PS：注意 ThreadLocal 的 nextHashCode 是由 static 修饰的，他是一个共享变量，所有的 ThreadLocal 共享一个 AtomicInteger，在其基础上 CAS 增加。
2. ThreadLocalMap 之 set() 方法
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); // 用key的hashCode计算槽位
// hash冲突时，使用开放地址法
// 因为独特和hash算法，导致hash冲突很少，一般不会走进这个for循环
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key) { // key 相同，则覆盖value
e.value = value;
return;
}
if (k == null) { // key = null，说明 key 已经被回收了，进入替换方法
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
// 新增 Entry
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) // 清除一些过期的值，并判断是否需要扩容
rehash(); // 扩容
}
这个 set 方法涵盖了很多关键点：
- 开放地址法：与我们常用的Map不同，java里大部分Map都是用链表发解决hash冲突的，而 ThreadLocalMap 采用的是开发地址法。
- hash算法：hash值算法的精妙之处上面已经讲了，均匀的 hash 算法使其可以很好的配合开方地址法使用；
- 过期值清理：关于过期值的清理是网上讨论比较多了，因为只要有关于可能内存溢出的话题，就会带来很多噱头和流量。
简单介绍一下开放地址法和链表法：
开放地址法：容易产生堆积问题；不适于大规模的数据存储；散列函数的设计对冲突会有很大的影响；插入时可能会出现多次冲突的现象，删除的元素是多个冲突元素中的一个，需要对后面的元素作处理，实现较复杂；结点规模很大时会浪费很多空间；
链地址法：处理冲突简单，且无堆积现象，平均查找长度短；链表中的结点是动态申请的，适合构造表不能确定长度的情况；相对而言，拉链法的指针域可以忽略不计，因此较开放地址法更加节省空间。插入结点应该在链首，删除结点比较方便，只需调整指针而不需要对其他冲突元素作调整。
ThreadLocalMap 为什么采用开放地址法？
个人认为由于 ThreadLocalMap 的 hashCode 的精妙设计，使hash冲突很少，并且 Entry 继承 WeakReference， 很容易被回收，并开方地址可以节省一些指针空间；然而恰恰由于开方地址法的使用，使在处理hash冲突时的代码很难懂，比如在replaceStaleEntry,cleanSomeSlots，expungeStaleEntry 等地方，然而真正调用这些方法的几率却比较小；要把上述方法搞清楚，最好画一画开方地址法发生hash冲突的状态图，容易理解一点，本文不详细探讨。
下面对 set 方法里面的几个关键方法展开：
- replaceStaleEntry
因为开发地址发的使用，导致 replaceStaleEntry 这个方法有些复杂，它的清理工作会涉及到slot前后的非null的slot。
private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
Entry e;
// 往前寻找过期的slot
int slotToExpunge = staleSlot;
for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = prevIndex(i, len))
if (e.get() == null)
slotToExpunge = i;
// 找到 key 或者 直到 遇到null 的slot 才终止循环
for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = nextIndex(i, len)) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
// 如果找到了key，那么需要将它与过期的 slot 交换来维护哈希表的顺序。
// 然后可以将新过期的 slot 或其上面遇到的任何其他过期的 slot
// 给 expungeStaleEntry 以清除或 rehash 这个 run 中的所有其他entries。
if (k == key) {
e.value = value;
tab[i] = tab[staleSlot];
tab[staleSlot] = e;
// 如果存在，则开始清除前面过期的entry
if (slotToExpunge == staleSlot)
slotToExpunge = i;
cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
return;
}
// 如果我们没有在向前扫描中找到过期的条目，
// 那么在扫描 key 时看到的第一个过期 entry 是仍然存在于 run 中的条目。
if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
slotToExpunge = i;
}
// 如果没有找到 key，那么在 slot 中创建新entry
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = new Entry(key, value);
// 如果还有其他过期的entries存在 run 中，则清除他们
if (slotToExpunge != staleSlot)
cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}
上文中的 run 不好翻译，理解为开放地址中一个slot中前后不为null的连续entry
- cleanSomeSlots
cleanSomeSlots 清除一些slot（一些？是不是有点模糊，到底是哪些？）
private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
boolean removed = false;
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
do {
i = nextIndex(i, len);
Entry e = tab[i];
if (e != null && e.get() == null) {
n = len;
removed = true;
i = expungeStaleEntry(i); // 清除方法
}
} while ( (n >>>= 1) != 0); // n = n / 2， 对数控制循环
return removed;
}
当新元素被添加时，或者另一个过期元素已被删除时，会调用cleanSomeSlots。该方法会试探性地扫描一些 entry 寻找过期的条目。它执行 对数 数量的扫描，是一种 基于不扫描（快速但保留垃圾）和 所有元素扫描之间的平衡。
上面说到的对数数量是多少？循环次数 = log2(N) （log以2为底N的对数），此处N是map的size，如：
log2（4） = 2
log2（5） = 2
log2（18） = 4
因此，此方法并没有真正的清除，只是找到了要清除的位置，而真正的清除在 expungeStaleEntry(int staleSlot) 里面
- expungeStaleEntry(int staleSlot)
这里是真正的清除，并且不要被方法名迷惑，不仅仅会清除当前过期的slot，还回往后查找直到遇到null的slot为止。开发地址法的清除也较难理解，清除当前slot后还有往后进行rehash。
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 清除当前过期的slot
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = null;
size--;
// Rehash 直到 null 的 slot
Entry e;
int i;
for (i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = nextIndex(i, len)) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == null) {
e.value = null;
tab[i] = null;
size--;
} else {
int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
if (h != i) {
tab[i] = null;
while (tab[h] != null)
h = nextIndex(h, len);
tab[h] = e;
}
}
}
return i;
}
3. ThreadLocalMap 之 getEntry() 方法
getEntry() 主要是在 ThreadLocal 的 get() 方法里被调用
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
if (e != null && e.get() == key) // 无hash冲突情况
return e;
else
return getEntryAfterMiss(key, i, e); // 有hash冲突情况
}
该方法比较简洁，首先运算槽位 i ，然后判断 table[i] 是否是目标entry，不是则进入 getEntryAfterMiss(key, i, e)；
下面展开 getEntryAfterMiss 方法：
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
while (e != null) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key)
return e;
if (k == null)
expungeStaleEntry(i); // 此方法上面已经讲过了
else
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
return null;
}
这个方法是在遇到 hash 冲突时往后继续查找，并且会清除查找路上遇到的过期slot。
4. ThreadLocalMap 之 rehash() 方法
private void rehash() {
expungeStaleEntries();
// 在上面的清除过程中，size会减小，在此处重新计算是否需要扩容
// 并没有直接使用threshold，而是用较低的threshold （约 threshold 的 3/4）提前触发resize
if (size >= threshold - threshold / 4)
resize();
}
private void expungeStaleEntries() {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
for (int j = 0; j < len; j++) {
Entry e = tab[j];
if (e != null && e.get() == null)
expungeStaleEntry(j);
}
}
rehash() 里首先调用 expungeStaleEntries()，然后循环调用 expungeStaleEntry(j) ,此方法会清除所有过期的slot。
继续看 resize()：
private void resize() {
Entry[] oldTab = table;
int oldLen = oldTab.length;
int newLen = oldLen * 2;
Entry[] newTab = new Entry[newLen];
int count = 0;
for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
Entry e = oldTab[j];
if (e != null) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == null) {
e.value = null; // Help the GC
} else {
int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
while (newTab[h] != null)
h = nextIndex(h, newLen);
newTab[h] = e;
count++;
}
}
}
setThreshold(newLen);
size = count;
table = newTab;
}
resize() 方法里也会过滤掉一些 过期的 entry。
PS :ThreadLocalMap 没有 影响因子 的字段，是采用直接设置 threshold 的方式，threshold = len * 2 / 3，相当于不可修改的影响因子为 2/3，比 HashMap 的默认 0.75 要低。这也是减少hash冲突的方式。
5. ThreadLocalMap 之 remove(key) 方法
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
if (e.get() == key) {
e.clear();
expungeStaleEntry(i);
return;
}
}
}
remove 方法是删除特定的 ThreadLocal，建议在 ThreadLocal 使用完后执行此方法。
总结
一、ThreadLocalMap 的 value 清理触发时间：
- set(ThreadLocal<?> key, Object value)
若无hash冲突，则先向后检测log2(N)个位置，发现过期 slot 则清除，如果没有任何 slot 被清除，则判断 size >= threshold，超过阀值会进行 rehash()，rehash()会清除所有过期的value； - getEntry(ThreadLocal<?> key) (ThreadLocal 的 get() 方法调用)
如果没有直接在hash计算的 slot 中找到entry， 则需要向后继续查找(直到null为止)，查找期间发现的过期 slot 会被清除； - remove(ThreadLocal<?> key)
remove 不仅会清除需要清除的 key，还是清除hash冲突的位置的已过期的 key；
清晰了以上过程，相信对于 ThreadLocal 的 内存溢出问题会有自己的看法。在实际开发中，不应乱用 ThreadLocal ，如果使用 ThreadLocal 发生了内存溢出，那应该考虑是否使用合理。
PS：这里的清除并不代表被回收，只是把 value 置为 null，value 的具体回收时间由 垃圾收集器 决定。
二、ThreadLocalMap 的 hash 算法和 开方地址法
由于 ThreadLocal 在每个 Thread 里面的唯一性和特殊性，为其定制了特殊的 hashCode 生成方式，能够很好的散列在 table 中，有效的减少hash冲突。
基于较少的hash冲突，于是采用了开放地址法，开放地址法在没有hash冲突的时候很好理解，在发生冲突时的代码就有些绕。因此理解 ThreadLocalMap 的新增、删除、查找、清除等操作，需要对开方地址法的hash冲突处理有较清晰的思路，最好在手边画一画开放地址法的hash冲突情况，目前没有在网上找的很好的讲解，争取在后续文章补充。
