ThreadLocal 源码浅析

前言

多线程在访问同一个共享变量时很可能会出现并发问题，特别是在多线程对共享变量进行写入时，那么除了加锁还有其他方法避免并发问题吗？本文将详细讲解 ThreadLocal 的使用及其源码。

---

一、什么是 ThreadLocal？

ThreadLocal 是 JDK 包提供的，它提供了线程本地变量，也就是说，如果你创建了一个 ThreadLocal 变量，那么访问这个变量的每一个线程，都创建这个变量的一个本地副本。

这样可以解决什么问题呢？当多个线程操作这个变量时，实际操作的是自己线程本地内存里的数据，从而避免线程安全问题。

如下图，线程表中的每个线程，都有自己 ThreadLocal 变量，线程操作这个变量只是在自己的本地内存在，跟其他线程是隔离的。

二、如何使用 ThreadLocal

ThreadLocal 就是一个简单的容器，使用起来也没有难度，初始化后仅需通过 get/set 方法进行操作即可。

如下代码，开辟两个线程对 ThreadLocal 变量进行操作，获取的值是不同的。

public class FuXing {

    /**
     * 初始化ThreadLocal
     */
    private static final ThreadLocal<String> myThreadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main (String[] args) {
        // 线程1中操作 myThreadLocal
        new Thread(()->{
            myThreadLocal.set("thread 1");		//set方法设置值
            System.out.println(myThreadLocal.get());	//get方法获取值"thread 1"
        },"thread 1").start();

        // 线程2中操作 myThreadLocal
        new Thread(()->{
            myThreadLocal.set("thread 2");		//set方法设置值
            System.out.println(myThreadLocal.get());	//get方法获取值"thread 2"
        },"thread 2").start();
    }
}

三、ThreadLocal 实现原理

ThreadLocal 是如何保证操作的对象只被当前线程进行访问呢，我们通过源码一起进行分析学习。

一般分析源码我们都先看它的构造方法是如何初始化的，接着通过对 ThreadLocal 的简单使用，我们知道了关键的两个方法 set/get，所以源码分析也按照这个顺序。

1. 构造方法

泛型类的空参构造，没有什么特别的

2. set 方法源码

源码如下，ThreadLocalMap 是什么呢？由于比较复杂，这里先不做解释，你暂时可以理解为是一个 HashMap，其中 key 为 ThreadLocal 当前对象，value 就是我们设置的值，后面会单独解释源码。

public void set(T value) {
    //获取本地线程
    Thread t = Thread.currentThread();

    //获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        //获取到则添加值
        map.set(this, value);
    else
        //否则初始化ThreadLocalMap --第一次设置值
        createMap(t, value);
}

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

3. get 方法源码

public T get() {
    //获取本地线程
    Thread t = Thread.currentThread();

    //获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {

        //通过当前的ThreadLocal作为key去获取对应value
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            //@SuppressWarnings忽略告警的注解
            //"unchecked"表示未经检查的转换相关的警告，通常出现在泛型编程中
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    //threadLocals为空或它的Entry为空时，需要对其进行初始化操作。
    return setInitialValue();
}

private T setInitialValue() {
    //初始化为null
    T value = initialValue();
    
    //获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    
    //获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    
    //返回的其实就是个null
    return value;
}

protected T initialValue() {
    return null;
}

4. remove 方法源码

核心也是 ThreadLocalMap 中的 remove 方法，会删除 key 对应的 Entry，具体源码后面统一在 ThreadLocalMap 源码中分析。

public void remove() {
    //获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        //通过当前的ThreadLocal作为key调用remove
        m.remove(this);
}

5. ThreadLocalMap 源码

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的一个静态内部类，看了上面的几个源码解释，可以了解到 ThreadLocalMap 其实才是核心。

简单的说，ThreadLocalMap 与 HashMap 类似，如，初始容量 16，一定范围内扩容，Entry 数组存储等，那它与 HashMap 有什么不同呢，下面将对源码进行详解。

ThreadLocalMap 的底层数据结构：

5.1 常量

//初始容量，一定是2的幂等数。
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

// Entry 数组
private Entry[] table;

//table的长度
private int size = 0;

//扩容阈值
private int threshold; 

//设置扩容阈值，长度的 2 / 3
private void setThreshold(int len) {
    threshold = len * 2 / 3;
}

//计算下一个存储位置
private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

// 计算前一个存储位置
private static int prevIndex(int i, int len) {
    return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}

5.2 Entry 相关源码

由于 Entry 是底层核心源码，所有的操作几乎都是围绕着它来进行的，所以关于 Entry 的源码会比较多，我一一拆分进行分析讲解。

静态内部类 Entry

这个是 ThreadLocalMap 的底层数据结构，Entry 数组，每个 Entry 对象，这里的 Entry 继承了 WeakReference，关于弱引用不懂得，可以看我的另一篇文章《Java 引用》。

然后将 Entry 的 key 设置承了 弱引用，这有什么作用呢？作用是当 ThreadLocal 失去强引用后，在系统GC时，只要发现弱引用，不管系统堆空间使用是否充足，都会回收掉 key，进而 Entry 被内部清理。

//静态内部类Entry
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    Object value;
    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        // key为弱引用
        super(k);
        value = v;
    }
}

获取 Entry

拿到当前线程中对应的 ThreadLocal 所在的 Entry，找不到的话会重新寻找，因为当前的 Entry 可能已经扩容，扩容后会重新计算索引位置，详情见扩容机制源码。

源码中的计算索引位置的算法我没有解释，这个我会放在后面解释，涉及到了如何解决 Hash 冲突的问题，这个和我们熟知的 HashMap 是不同的。

//获取Entry
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    //计算索引位置
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];

    //找到了就返回Entry
    if (e != null && e.get() == key)
            return e;
    else
        //没找到则重新寻找，因为可能发生扩容导致索引重新计算
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

//重新获取Entry --从当前索引i的位置向后搜索
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    //循环遍历，获取对应的 ThreadLocal 所在的 Entry
    while (e != null) {
        //获取Entry对象的弱引用，WeakReference的方法
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == key)
            return e;
        if (k == null)
            //清除无效 Entry，详解见下方
            expungeStaleEntry(i);
        else
            //计算下一个索引位置
            i = nextIndex(i, len);
        
        //可以理解为指针后移
        e = tab[i];
    }
    return null;
}

清除无效 Entry

expunge 删除，抹去，stale 陈旧的，没有用的

第 1 个方法：

根据索引删除对应的桶位，并从给定索引开始，遍历清除无效的 Entry，何为无效？就是当 Entry 的 key 为 null 时，代表 key 已经被 GC 掉了，对应的 Entry 就无效了。

第 2 个方法：

删除Entry数组中所有无效的Entry，方法中的e.get() == null，代表key被回收了。

第 3 个方法：

清除一些失效桶位，它执行对数数量的扫描，向后遍历logn个位置，如8，4，2，1。

方法 2、3 最后都通过方法 1 进行桶位的删除。

//根据索引删除对应的桶位
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    //删除该桶位的元素，并将数组长度减1
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = null;
    size--;

    Entry e;
    int i;
    //从当前索引开始，直到当前 Entry为null才会停止遍历
    for (i = nextIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = nextIndex(i, len)) {
        //获取Entry对象的弱引用，WeakReference的方法
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == null) {//说明key已失效
            //删除该桶位的元素，并将数组长度减1
            e.value = null;
            tab[i] = null;
            size--;
        } else {//说明key有效，需要将其Rehash
            //计算rehash后索引位置
            int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
            if (h != i) {
                tab[i] = null;
                //移动元素位置，若rehash后索引位置有其他元素，则继续向后移动，直至为空
                while (tab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);
                tab[h] = e;
            }
        }
    }
    //直到当前 Entry为null才会停止遍历，i为其索引
    return i;
}

//删除Entry数组中所有无效的Entry，用于rehash时
private void expungeStaleEntries() {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    for (int j = 0; j < len; j++) {
        Entry e = tab[j];
        //获取Entry对象的弱引用，Entry不为空而弱引用为空，代表被GC了
        if (e != null && e.get() == null)
            //根据索引删除对应的桶位
            expungeStaleEntry(j);
    }
}

//清楚一些清除桶位，它执行对数数量的扫描
private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
    boolean removed = false;
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    //向后遍历logn个位置，如8，4，2，1
    do {
        i = nextIndex(i, len);
        Entry e = tab[i];
        //获取Entry对象的弱引用，Entry不为空而弱引用为空，代表被GC了
        if (e != null && e.get() == null) {
            n = len;
            removed = true;
            //根据索引删除对应的桶位
            i = expungeStaleEntry(i);
        }
    } while ( (n >>>= 1) != 0);//对数递减
    return removed;
}

替换无效 Entry

替换失效元素，用在对 Entry 进行 set 操作时，如果 set 的 key 是失效的，则需要用新的替换它。

这里不仅仅处理了当前的失效元素，还会将其他失效的元素进行清理，因为这里是当 key 为 null 时才进行的替换操作。

那什么时候 key 为 null 呢？这个除了主动的 remove 之外，就只有 ThreadLocal 的弱引用被 GC 掉了。

这里是在 set 操作时出现的，还出现了 key 为 null 的无效元素，代表已经之前发生过 GC 了，很可能Entry 数组中还可能出现其他无效元素，所以源码中会出现向前遍历和向后遍历的情况。

向前遍历好理解，就是通过遍历找第一个失效元素的索引。向后遍历比较难理解，这里我先简单说一下 ThreadLocal 用的开放地址的方式来解决 hash 冲突的，具体原理我后面会在讲 hash 冲突时单独讲。

这种情况下，很可能当前的失效元素对应的并不是 hascode 在 staleSlot 的Entry。因为 hash 冲突后，Entry 会后移，那么此元素的 hascode 对应的桶位很有可能往后移了，所以我们要向后找到它，并且和当前的 staleSlot 进行替换。

如果不进行此操作的话，很有可能在 set 操作时，在 ThreadLocalMap 中会出现两个桶位，都被某个ThreadLocal 指向。

private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
                               int staleSlot) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    Entry e;

    //记录失效元素的索引
    int slotToExpunge = staleSlot;
    //从失效元素位置向前遍历，直到当前 Entry为null才会停止遍历
    for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = prevIndex(i, len))
        if (e.get() == null)
            //更新失效元素的索引，目的是找第一个失效的元素
            slotToExpunge = i;

    //从失效元素向后遍历
    for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = nextIndex(i, len)) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        //找到了对应key
        if (k == key) {
            //更新该位置的value
            e.value = value;
            //把失效元素换到当前位置
            tab[i] = tab[staleSlot];
            //把当前Entry移动到失效元素位置
            tab[staleSlot] = e;
            
            //slotToExpunge是第一个失效元素的索引，若条件成立，向前没有失效元素
            if (slotToExpunge == staleSlot)
                //从当前索引开始，清理失效元素
                slotToExpunge = i;
            
            // 清理失效元素，详情见清除无效Entry相关源码
            cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
            return;
        }
        
        //代表向前遍历没有找到第一个失效元素的位置
        if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
            //所以条件成立的i是向后遍历的的第一个失效元素的位置
            slotToExpunge = i;
    }
    
    //没找到key，则在失效元素索引的位置，新建Entry
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = new Entry(key, value);
    
    // 条件成立说明在找到了staleSlot前面找到了其他的失效元素
    if (slotToExpunge != staleSlot)
        
        // 清理失效元素，详情见清除无效Entry相关源码
        cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}

5.3 构造方法

还有一个基于 parentMap 的构造方法，由于目前仅在创建 InheritableThreadLocal 时调用，关于它这里不详细展开，后续会针对该类进行详解。

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    // 初始化数组
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];

    //计算存储位置
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);

    //存储元素，并将size设置为1
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;

    //设置扩容阈值
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

5.4 set 方法源码

设置 key，vlaue，key 就是 ThreadLocal 对象。

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    //计算索引位置
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    //从当前索引开始，直到当前Entry为null才会停止遍历
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        //如果key存在且等于当前key，代表之前存在的，直接覆盖
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
        //如果key不存在，说明已失效，需要替换，详情见替换无效Entry源码
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    //没有key则新建一个Entry即可
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;

    //清理一些失效元素，若清理失败且达到常量中的扩容阈值，则进行rehash操作
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

//删除Entry数组中所有无效的Entry并扩容
private void rehash() {
    //删除Entry数组中所有无效的Entry
    expungeStaleEntries();
    if (size >= threshold - threshold / 4)
        //扩容，详情见下面的扩容机制源码
        resize();
}

5.5 remove 方法源码

删除key对应的entry

private void remove(ThreadLocal<?> key) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    //计算存储位置
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    
    //从当前索引开始，直到当前Entry为null才会停止遍历
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        if (e.get() == key) {
            //清除该对象的强引用，下次在通过get方法获取引用则返回null
            e.clear();

            //清除无效元素
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}

5.6 扩容机制源码

将元素转移到新的Entry 数组，长度是原来的两倍。

private void resize() {
    //创建原数组长度两倍的新数组
    Entry[] oldTab = table;
    int oldLen = oldTab.length;
    int newLen = oldLen * 2;
    Entry[] newTab = new Entry[newLen];
    int count = 0;	//计算当前元素数量
    for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
        Entry e = oldTab[j];
        if (e != null) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();
            if (k == null) {	//key失效则值也顺便设为null
                e.value = null; 	// Help the GC
            } else {
                //重新计算索引位置
                int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);

                //移动元素位置，若rehash后索引位置有其他元素，则继续向后移动，直至为空
                while (newTab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, newLen);
                newTab[h] = e;
                count++;
            }
        }
    }
    setThreshold(newLen);
    size = count;
    table = newTab;
}

四、ThreadLocalMap 的 Hash 冲突

Java 中大部分都是使用拉链法法解决 Hash 冲突的，而 ThreadLocalMap 是通过开放地址法来解决 Hash 冲突，这两者有什么不同，下面我讲介绍一下。

1. 拉链法

拉链法也叫链地址法，经典的就是 HashMap 解决 Hash 冲突的方法，如下图。将所有的 hash 值相同的元素组成一个链表，除此外 HashMap 还进行了链表转红黑树的优化。

2. 开放地址法

原理是当发生hash冲突时，不引入额外的数据结构，会以当前地址为基准，通过"多次探测"来处理哈希冲突，探测方式主要包括线性探测、平方探测和多次哈希等，ThreadLocalMap 使用的是线性探测法。

简单说，就是一旦发生了冲突，就去探测寻找下一个空的散列地址，根据上面的源码也能大致了解该处理方式。

源码中的公式是key.threadLocalHashCode & (length - 1)。

公式类似 HashMap 的寻址算法，详情见HashMap源码，由于数组长度是 2 的 n 次幂，所以这里的与运算就是取模，得到索引 i，这样做是为了分布更均匀，减少冲突产生。

threadLocalHashCode 源码如下：

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

//初始化线程安全的Integer
private static AtomicInteger nextHashCode =
    new AtomicInteger();

//斐波那契散列乘数 --结果分布更均匀
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

//自增返回下一个hash code
private static int nextHashCode() {
    
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}

线性探测法的缺点：

1. 不适用于存储大量数据，容易产生"聚集现象"；
2. 删除元素需要清除无效元素；

五、注意事项

1. 关于内存泄漏

在了解了 ThreadLocal 的内部实现以后，我们知道了数据其实存储在 ThreadLocalMap 中。这就意味着，线程只要不退出，则引用一直存在。

当线程退出时，Thread 类会对一些资源进行清理，其中就有threadLocals，源码如下：

private void exit() {
    if (group != null) {
        group.threadTerminated(this);
        group = null;
    }
    target = null;
    //加速一些资源的清理
    threadLocals = null;
    inheritableThreadLocals = null;
    inheritedAccessControlContext = null;
    blocker = null;
    uncaughtExceptionHandler = null;
}

因此，当使用的线程一直没有退出（如使用线程池），这时如果将一些大对象放入 ThreadLocal 中，且没有及时清理，就可能会出现内存泄漏的风险。

所以我们要养成习惯每次使用完 ThreadLocal 都要调用 remove 方法进行清理。

2. 关于数据混乱

通过对内存泄漏的解释，我们了解了当使用的线程一直没有退出，而又没有即使清理 ThreadLocal，则其中的数据会一直存在。

这除了内存泄漏还有什么问题呢？我们在开发过程中，请求一般都是通过 Tomcat 处理，而其在处理请求时采用的就是线程池。

这就意味着请求线程被 Tomcat 回收后，不一定会立即销毁，如果不在请求结束后主动 remove 线程中的 ThreadLocal 信息，可能会影响后续逻辑，拿到脏数据。

我在开发过程中就遇到了这个问题，详情见ThreadLocal中的用户信息混乱问题。所以无论如何，在每次使用完 ThreadLocal 都要调用 remove 方法进行清理。

3. 关于继承性

同一个 ThreadLocal 变量，在父线程中被设置值后，在子线程其实是获取不到的。通过源码我们也知道，我们操作的都是当前线程下的 ThreadLocalMap ，所以这其实是正常的。

测试代码如下：

public class FuXing {

    /**
     * 初始化ThreadLocal
     */
    private static final ThreadLocal<String> myThreadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main (String[] args) {
        myThreadLocal.set("father thread");
        System.out.println(myThreadLocal.get()); 	//father thread

        new Thread(()->{
            System.out.println(myThreadLocal.get());	//null
        },"thread 1").start();
    }
}

那么这可能会导致什么问题呢？比如我们在本服务调用外部服务，或者本服务开启新线程去进行异步操作，其中都无法获取 ThreadLocal 中的值。

虽然都有其他解决方法，但是有没有让子线程也能直接获取到父线程的 ThreadLocal 中的值呢？这就用到了 InheritableThreadLocal。

public class FuXing {

    /**
     * 初始化ThreadLocal
     */
    private static final InheritableThreadLocal<String> myThreadLocal 
            = new InheritableThreadLocal<>();

    public static void main (String[] args) {
        myThreadLocal.set("father thread");
        System.out.println(myThreadLocal.get()); 	//father thread

        new Thread(()->{
            System.out.println(myThreadLocal.get());	//father thread
        },"thread 1").start();
    }
}

InheritableThreadLocal 就是继承了 ThreadLocal，在创建和获取变量实例 inheritableThreadLocals 而不再是threadLocals，源码如下。

public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {

    protected T childValue(T parentValue) {
        return parentValue;
    }

    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
       return t.inheritableThreadLocals;
    }

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

总结

本文主要讲述了 ThreadLocal 的使用以及对其源码进行了详解，了解了 ThreadLocal 可以线程隔离的原因。通过对 ThreadLocalMap 的分析，知道了其底层数据结构和如何解决 Hash 冲突的。

最后通过对 ThreadLocal 特点的分析，了解到有哪些需要注意的点，避免以后开发过程中遇到类似问题，若发现其他问题欢迎指正交流。

---

参考：

[1] 翟陆续/薛宾田. Java并发编程之美.

[2] 葛一鸣/郭超. 实战Java高并发程序设计.

[3] 靳宇栋. Hello 算法.