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多线程并发是Java语言中非常重要的一块内容，同时，也是Java基础的一个难点。说它重要是因为多线程是日常开发中频繁用到的知识，说它难是因为多线程并发涉及到的知识点非常之多，想要完全掌握Java的并发相关知识并非易事。也正因此，Java并发成了Java面试中最高频的知识点之一。本系列文章将从Java内存模型、volatile关键字、synchronized关键字、ReetrantLock、Atomic并发类以及线程池等方面来系统的认识Java的并发知识。通过本系列文章的学习你将深入理解volatile关键字的作用，了解到synchronized实现原理、AQS和CLH队列锁，清晰的认识自旋锁、偏向锁、乐观锁、悲观锁...等等一系列让人眼花缭乱的并发知识。
多线程并发系列文章：
这一次，彻底搞懂Java中的ReentrantLock实现原理
Java并发系列番外篇：ThreadLocal原理其实很简单
多线程并发时要解决的一个最重要的问题是多线程共享内存变量同步的问题。前几篇文章无论是volatile、synchronized又或是ReentrantLock和Atomic类无不是解决这一问题。而很多情况下我们只希望某个变量对其他线程不可见，只允许某一个线程访问，而ThreadLocal就提供了这样的能力。本文章是Java并发系列的一个扩展篇，来详细的认识一下ThreadLocal及它的实现原理。
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一、ThreadLocal基础知识
在平时开发中用到ThreadLocal地方可能并不多，很多同学可能觉得ThreadLocal无足轻重。但事实并非如此，ThreadLocal的地位远比我们认为的重要的多。做Android开发的同学应该都比较了解Android消息机制中的Looper,Looper的底层实现就依赖于ThreadLocal。而Android系统的运行是靠Message驱动的，驱动Message的核心就是Handler和Looper，这意味着Looper支撑了整个Android系统的运行。在后端开发中，ThreadLocal也有它的应用场景，Spring采用Threadlocal的方式，来保证单个线程中的数据库操作使用的是同一个数据库连接。由此可见ThreadLocal在Java体系中占有着举足轻重的地位。
1.ThreadLocal的使用
ThreadLocal是一个泛型类，泛型表示ThreadLocal可以存储的类型，它的使用非常简单。举个例子，在子线程中用ThreadLcoal存储一个数字，然后分别在子线程和主线程将中来获取这个值，代码如下：
public static void main(String[] args) {
ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();
new Thread(() -> {
threadLocal.set(10);
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value = " + threadLocal.get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value = " + threadLocal.get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
上述代码的打印结果如下：
Thread-0 value = 10
main value = null
可以看到，我们在子线程中通过ThreadLocal存储了一个10，则子线程中可以取到这个值。而主线程中取到的却是null。这意味着通过某个线程通过ThreadLocal存储的数据，只有在这个线程中才能访问的到。
除此之外，ThreadLocal可以设置全局的初始值，代码如下：
ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 10);
通过ThreadLocal的withInitial方法指定初始值为10，接着分别从子线程和主线程中取值，打印结果如下：
Thread-0 value = 10
main value = 10
除了set和get方法之外，ThreadLocal还提供了remove方法，使用很简单这里就不再列举代码了。
二、ThreadLocal的实现原理
ThreadLocal究竟是如何做到存储的数据只被设置数据的线程可见的呢？想要搞清楚原因就需要我们分析ThreadLocal是如何实现的了。
我们从ThreadLocal的set方法着手来看。
1.ThreadLocal的set过程
set方法的源码比较简单，如下：
public void set(T value) {
// 获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取线程中的ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
// 将值存储到ThreadLocalMap中
map.set(this, value);
} else {
// 创建ThreadLocalMap，并存储值
createMap(t, value);
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
// 实例化当前线程中的ThreadLocalMap
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
上述代码首先获取到了当前线程，然后从当前线程中获取ThreadLocalMap，ThreadLocalMap是一个存储K-V的集合，我们后边分析。如果此时ThreadLocalMap不为空，那么就通过ThreadLocalMap的set方法将值存储到当前线程对应的ThreadLocalMap中。如果ThreadLocalMap为空，那么就创建ThreadLcoalMap，然后将值存储到ThreadLocalMap中。并且，这里我们注意到ThreadLocalMap的key是当前的ThreadLocal。
2.ThreadLocal的get过程
接下来我们看如何从ThreadLocal中取出数据，get方法的代码如下：
public T get() {
// 获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取当前线程对应的ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
// 从ThreadLocalMap中取出值
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
// 如果值为空则返回初始值
return setInitialValue();
}
// 为ThreadLocal设置初始值
private T setInitialValue() {
// 初始值为null
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
map.set(this, value);
} else {
// 创建ThreadLocalMap
createMap(t, value);
}
if (this instanceof TerminatingThreadLocal) {
TerminatingThreadLocal.register((TerminatingThreadLocal<?>) this);
}
return value;
}
// 初始值为空
protected T initialValue() {
return null;
}
可以看到，get方法依然是先获取到当前线程，然后拿到当前线程的ThreadLocalMap，并通过ThreadLocalMap的getEntry方法将这个ThreadLocal作为key来取值。如果ThreadLocalMap为null，则会通过setInitialValue方法返回了一个null值。
总的来看，set方法将value放到了当前线程的ThreadLocalMap中，而key是当前的这个ThreadLocal。而get方法则是获取当前线程中的ThreadLcoalMap，然后将这个ThreadLocal作为key来取出value。到这里其实我们已经能够解答为什么ThreadLocal中的值只能被设置这个值的线程可见了。但是似乎又有点只见树木不见森林的感觉，毕竟ThreadLocalMap是什么东西呢？
3.ThreadLocalMap
从前两小节其实我们已经知道，ThreadLocalMap是一个存储K-V类型的数据结构，并且Thread类中维护了一个ThreadLocalMap的成员变量。代码如下：
public class Thread implements Runnable {
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
...
}
可以看到ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类,ThreadLocalMap的类结构如下：
static class ThreadLocalMap {
private Entry[] table;
private int size = 0;
}
ThreadLocalMap内部维护了一个Entry数组，和一个int类型的size。Entry是ThreadLocalMap的内部类，它就是对我们设置的value的封装，代码如下：
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
可以看到Entry类的结构很简单，它继承了WeakReference，并且内部维护了一个Object类型的value。而WeakReference中维护了一个referent的成员，在Entry中就是指ThreadLocal。也就是说Entry中维护了一个ThreadLocal作为key和一个Object的value作为value。
接下来看ThreadLocalMap的set方法。
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 获取key哈希值，作为在Entry数组中的位置
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
// 出现哈希冲突，这里使用的是线性探测再散列方法来处理
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
// 将key和value封装到Entry中，并放入Entry数组
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
通过ThreadLocalMap的set方法可以看出，ThreadLocalMap是一个哈希表结构。set方法是将value插入到哈希表中的操作。我们知道哈希表是会出现哈希冲突的，因此，上述代码首先使用线性探测再散列法进行哈希冲突的处理，然后再将value封装成Entry，插入到Entry数组中。如果你不了解哈希表和哈希冲突，可以参考我之前写过的一篇文章《面试官：哈希表都不知道，你是怎么看懂HashMap的？》
接下来看ThreadLocalMap的getEntry方法，这里不用想也应该知道getEntry方法一定是从哈希表中取数据的。它的代码如下：
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
// 不存在哈希冲突的情况，取到了值
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else
// 存在哈希冲突的情况，则通过线性探测法来查找值
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
由于是从哈希表中取值，所有这个方法中一定存在两种情况，即存在哈希冲突和不存在哈希冲突。首先，如果不存在哈希冲突，那么直接从Entry数组中取出第i个元素即可。而如果存在哈希冲突，那么则需要继续线性探测来查找key的位置。getEntryAfterMiss就是线性探测的实现，无非就是循环遍历然后比较，这里就不再贴这个方法的代码了。
如果了解哈希表的话，看懂ThreadLocalMap的代码其实并不难。但是这里有一个问题，为什么ThreadLocalMap中的Entry要继承WeakReference呢？
三、ThreadLocal内存泄漏问题
为什么ThreadLocalMap中的Entry要继承WeakReference，使ThreadLocal作为一个弱引用呢？我们知道，弱引用在发生GC时这个对象一定会被回收。通常来说使用弱引用是为了避免内存泄漏。这里也不例外，ThreadLocal使用弱引用可以避免内存泄漏问题的发生。
试想，如果将ThreadLocal声明为强引用，一旦ThreadLocal不再使用，就需要被回收。但是此时由于ThreadLocalMap中的Entry数组持有了ThreadLocal。导致ThreadLocal不能够被回收而出现内存泄漏。那么，如果将ThreadLocal声明为弱引用就可以避免这一问题的出现。
那么，是否意味着将Entry中的ThreadLocal声明为弱引用，我们就可以肆无忌惮的使用ThreadLocal也不会出现内存泄漏了？事实并非如此。
我们来看下面的分析。
如上图所示，在ThreadLocal中存在一个这样的引用连。如果Thread一直在运行，那么此时由于强引用的value不能被回收，故此种情况下也可能出现内存泄漏的问题。因此，通常来说，在不需要使用这个ThreadLocal变量的使用，需要调用remove方法来避免内存泄漏的问题。
四、总结
从源码角度来看ThreadLocal,在了解哈希表的情况下，弄懂它的实现原理其实并不难。ThreadLocal的set方法会将自身作为key，连带value封装到Entry中。然后将这个Entry插入到当前线程的ThreadLocalMap中。这个ThreadLocalMap是一个哈希表结构，内部使用线性探测再散列来存储Entry。
当然，由于可能存在多个ThreadLocal的情况，如下代码：
ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();
ThreadLocal<Integer> threadLocal2 = new ThreadLocal<>();
threadLocal.set(1);
threadLocal2.set(2);
因此，可以给出ThreadLocalMap的结构图如下：
