彻底搞懂 ThreadLocal：原理解析与实际应用

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🔅前言

ThreadLcoal也是我们在面试中出现频率很高的技术点，大多时候的回答也只是表面的概念并没有深入其中为了应付面试，这里我们打破砂锅学到底，真正把他弄清楚。

📶概述

这里简单介绍下ThreadLcoal

ThreadLocal 旨在解决多线程环境中的共享资源并发问题。它为每个线程提供一个独立的内存空间，以存储该线程的临界变量，这些变量也被称为线程的副本。由于每个线程都拥有自己的副本，因此线程之间互不干扰，从而消除了资源竞争和并发问题。

使用场景优势：简单来说，比如在业务逻辑中频繁使用到登录用户的基本信息时，我们可以在拦截器中把用户信息存储到一个定义好的上下文类的 ThreadLocal 中，这样在后续的业务逻辑中使用时，不需要重复访问数据库查询或通过方法参数传递数据，而是可以直接从上下文类获取已存入内存的数据，大大提高了效率。

🌐ThreadLocal api

private static ThreadLocal<LoginUser> threadLocal = new ThreadLocal();
  • 存储数据
threadLocal.set("内容对象")
  • 获取数据
threadLocal.get()
  • 移除数据
threadLocal.rmove()

🙋🏻‍♀️我有疑惑

❓线程的副本是什么？ThreadLcoal怎么存储数据的

前面概念中提到的线程副本，在深入学习之前博主一直认为是为每一个线程创建一个单独的ThreadLcoal来存储数据，但实际上并不是这样的！

让我们进入threadLocal.set("内容对象")源码一探究竟

/*
* 位置：java.lang.ThreadLocal
* 行数：218
*/
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        map.set(this, value);
    } else {
        createMap(t, value);
    }
}

通过源码可以知道

  • 通过源码可知，创建的副本并不是ThreadLcoal而是ThreadLocalMap，为每一个线程创建一个ThreadLocalMap对象来存储数据，而ThreadLocal只是提供给我们操作ThreadLocalMap的工具而已。在项目中使用过ThreadLocal的同学，大家不难发现定义ThreadLocal的时候是当做全局共享对象来使用的，使用static修饰提前定义在上下文类中。所有线程共享一个ThreadLocal，但ThreadLocal会为每一个线程创建一个独立的ThreadLocalMap对象来存储数据。
  • 通过源码可知，ThreadLocalMap是在线程调用set()或get()方法的时候才会去创建（概念中提到的“开辟内存空间”）， 这种懒加载的机制就是为了节省内存——只有在需要使用线程本地变量时，才会给线程分配专门的内存空间来存储这些变量。

❓ThreadLocalMap怎么存储数据

ThreadLocalMap简单点说就是一个map对象，哪有就需要键值对key/value。

  • key: 为ThreadLocal对象本身。map.set(this, value)可知，this就是当前对象。
  • value: 为我们需要存储的变量数据

❓不仅疑惑为什么用ThreadLocal作为一个线程的key呢

  1. 虽然ThreadLocal是全局的，但是ThreadLocalMap确实每个线程单独的相互隔离，所以对于ThreadLocal作为key,相对单个线程而言在map中就是唯一的。
  2. 避免额外的键管理， 如果使用其他对象作为键，则需要在每个线程中管理这些对象的生命周期和引用。将 ThreadLocal 作为键简化了这个过程，因为它的生命周期与线程紧密相关。
  3. 看得最多的一点，因为“ThreadLocal在map中作为一个弱引用的key来使用的，可以避免潜在的内存泄漏问题。一旦线程不再使用它，它可能不再被强引用。在这种情况下，通过将 ThreadLocal 设置为弱引用，JVM 的垃圾回收器可以及时回收 ThreadLocal 对象，避免因为它还存在于 ThreadLocalMap 中而无法释放内存”。但ThreadLocal 实例本身始终是强引用，只是作为key赋予了它当它的变量被置为 null 或类实例被销毁时，变成弱引用，然后被gc回收。所以作为keyThreadLocal不是必须的，博主更倾向于第2点解释。

❓ThreadLocalMap中key的弱引用是怎么实现的

继续深入源码

/*
* 位置：java.lang.ThreadLocal
* 行数：329
*/
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

我们知道map的数据结构中其中一个就是数组，通过hashCode来获得数组的下标。Entry对象就是ThreadLocalMap 数组中存储的对象。

Entry继承WeakReference<ThreadLocal>对象，WeakReference我们字面翻译都知道是弱引用啦

Entry对象中定义了一个变量value,用来存储用户的变量数据，是强引用。

而super(k);就是将ThreadLocal作为的key传递给父类，就此当达到一定条件后就拥有了弱引用的特性。

继续深入父类，我们发现最终变量被定义在抽象类Reference中

/*
* 位置：java.lang.ref
* 行数：153
*/
public abstract class Reference<T> {

private T referent;         /* Treated specially by GC */
    //...
}

扩展：

强引用： 在 Java 中，强引用是指普通的引用关系。只要有强引用指向一个对象，垃圾回收器就不会回收这个对象。即使系统内存紧张，这个对象也会一直存在。就如上面的给value赋完值一样，他就是强引用了。当然没有赋值的变量什么引用都不是。

弱引用： 创建一个类并继承 WeakReference，并在构造函数中调用 super() 将对象传递给 WeakReference 的构造函数时，您就创建了一个弱引用 。

除了上面两种引用，还有虚引用、软引用，不在本篇讨论中。

❓为什么使用 ThreadLocalMap 存储

前面说到了ThreadLocalMap 是一个Map,使用它的原因基本2点

  • 灵活性： ThreadLocalMap 的存在是为了支持在一个线程中存储多个 ThreadLocal 对象的值。 一个线程可以同时有一个 ThreadLocal 存储用户信息，另一个 ThreadLocal 存储数据库连接。每个 ThreadLocal 都可以在同一个线程中存储自己的值，而不会互相影响。
  • 避免全局变量冲突 ：ThreadLocalMap 可以支持多个 ThreadLocal 对象，即使不同的库或模块使用各自的 ThreadLocal 对象，也不会产生冲突。每个 ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中是独立的，保证了数据的隔离性。

通过上面两点我们加深了对于ThreadLocalMap 的理解，那就是一个线程只会有一个ThreadLocalMap ，不管ThreadLocal 有多少个，ThreadLocal 只是用于操作ThreadLocalMap的工具类。

💭释放ThreadLocalMap 内存

通过上面的提问-回答的方式我们知道了ThreadLocalMap 是和线程的生命周期深度绑定的，线程存在那么ThreadLocalMap 这部分内存则已知存在，线程销毁则内存也随之释放。

但对于我们java开发中常用的spring boot框架开发的项目，尽管我们不额外显示的使用线程池，但是spring boot中内嵌了Tomcat服务器， 它也会为处理接口请求提供一个线程池。这种情况下，尽管你没有直接管理线程池，但请求处理仍然是通过线程池进行的。每个请求会在池中的一个线程中处理，从而实现线程的复用。

所以ThreadLocalMap 并不会随着接口方法的结束而释放内存。线程处理完接口逻辑后继续回到线程池等待下次请求。内存如果得不到有效的释放，大量堆积会导致程序出现内存泄露的风险，非常影响性能。

❓怎么才能快速有效的释放ThreadLocalMap 内存呢

那就是前面说到的ThreadLocalMap 的key,当作为key的ThreadLocal 对象为null或被摧毁后，那么key就会变成一个弱引用， 下次GC的时候它会检查 ThreadLocalMap 中的 弱引用键 ， GC 发现 ThreadLocalMap 中的键（ThreadLocal）是一个弱引用，会将不再被引用的 ThreadLocal 对象回收，并将对应的键设为 null。 但是value是强引用，会一直存在。

（注意：在特殊情况下，代码可以遍历并清除 ThreadLocalMap 中的 null 键条目，但这种操作属于高级优化范畴，不建议常用，这里不展开讨论。而且对应弱引用的处理，因为GC是属于JVM控制的，我们并不可控，下次GC谁都不知道 。 ）

‼️综上所诉，我们使用完ThreadLocal后，建议都要手动释放内存，调用 threadLocal.rmove() 方法。

扩展：如果我们在定义ThreadLocal时用了static修饰关键字，那么map中的key会一直是强引用，不会变成弱引用，因为使用static后，ThreadLocal属于当前类的，会被类持续强引用，而不再是属于一个实例或对象了，它跟随类的生命周期，类的生命周期是什么，那就是程序启动时类加载开始直到项目程序关闭。所以一定要手动释放 ****threadLocal.rmove() 。

✅应用

本案例是使用ThreadLocal作为存储登录用户基本信息使用,并在拦截器中存储接登录中的用户数据。

  1. 定义上下文工具类
public class SessionContext {
    private ThreadLocal<LoginUser> threadLocal;
    private SessionContext() {
        this.threadLocal = new ThreadLocal<>();
    }
    /**
     * 使用静态内部类创建单例
     */
    private static class Context {
        private static final SessionContext INSTANCE = new SessionContext();
    }
    public static SessionContext getInstance() {
        return Context.INSTANCE;
    }
    public void set(LoginUser user) {
        this.threadLocal.set(user);
    }
    public LoginUser get() {
        return this.threadLocal.get();
    }
    public void clear() {
        this.threadLocal.remove();
    }
}
  1. 创建登录拦截器类，实现HandlerInterceptor类
@Component
public class TokenInterceptor implements HandlerInterceptor {
    @Override
    public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) throws Exception {
        //...
        LoginUser loginUserInfo = new LoginUser();
        loginUserInfo.setUserId(1)
        //用户信息设置到上下文
        SessionContext.getInstance().set(loginUserInfo);
        return HandlerInterceptor.super.preHandle(request, response, handler);
    }
    @Override
    public void afterCompletion(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler, Exception ex) throws Exception {
        HandlerInterceptor.super.afterCompletion(request, response, handler, ex);
        //释放缓存
        SessionContext.getInstance().clear();
    }
}

注：代码为简化版为了突出对ThreadLocal的使用，完整源码可参考：github地址 找到对应类进行查看。

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