大白话讲解JDK源码系列:从头到尾再讲一遍ThreadLocal

2022-01-26 16:51
引言
其实网上有很多关于ThreadLocal的文章了,有不少文章也已经写的非常好了。但是很多同学反应还有一些部分没有讲解的十分清楚,还是有一定的疑惑没有想的十分清楚。因此本文主要结合常见的一些疑问、ThreadLocal源码、应用实例以注意事项来全面而深入地再详细讲解一遍ThreadLocal。希望大家看完本文后可以彻底掌握ThreadLocal。

ThreadLocal是什么?它能干什么?
在阐述ThreadLocal之前,我们先来看下它的设计者是怎么描述ThreadLocal的吧。


看完官方的描述后,结合自己的理解,ThreadLocal提供了一种对应独立线程内的数据访问机制,实现了变量在线程之间隔离,在线程生命周期内独立获取或者设置的能力。如果我们想在线程内传递参数但是有不想作为方法参数的时候,ThreadLocal就可以排上用场了。不过值得注意的是ThreadLocal并不会解决变量共享问题。实际上从ThreadLocal的名称上面来看,线程本地变量也已经大致说明了它的作用,所以变量的命名还是非常重要的,要做到顾名思义。如果觉得还不是很理解,没关系,我们可以通过以下的场景再加深下理解。

假如有以下的场景,假设只有一个数据库连接,客户端1、2、3都需要获取数据库连接来进行具体的数据库操作,但是同一时间点只能有一个线程获取连接,其他线程只能等待。因此就会出现数据库访问效率不高的问题。


那我们有没有什么办法能够避免线程等待的情况呢?上述问题的根本原因是数据库连接是共享变量,同事只能有一个线程可以进行操作。那如果三个线程都有自己的数据库连接,互相隔离,那不就不会出现等待的问题了嘛。那么此时我么可以使用ThreadLocal实现在不同线程中的变量隔离。可以看出来,ThreadLocal是一种已空间换取时间的做法。



ThreadLocal实现线程隔离的秘密
从上文中,我们了解到ThreadLocal可以实现变量访问的线程级别的隔离。那么它是到底如何实现的呢?这还需要结合Thread以及ThreadLocal的源码来分析才能揭开ThreadLocal实现线程隔离的神秘面纱。

public class Thread implements Runnable {
    ...
    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    ...
    
}

在Thread源码中我们发现,它有一个threadLocals变量,它的类型是ThreadLocal中的内部类ThreadLocalMap。我们在看下ThreadLocalMap的定义是怎样的。从源码中我们可以看出来,ThreadLocalMap实际上就是Entry数组,这个Entry对应的key实际就是ThreadLocal的实例,value就是实际的变量值。

public class ThreadLocal<T> {
  ...
    
   static class ThreadLocalMap {
     
      static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
       ...
       //底层数据结构是数组
       private Entry[] table;
       ...
     
   }
  ...
  
}

通过查看上述的源码,如果还不太好理解的话,我们再结合下现实中的例子来理解。大家都有支付宝账户,我们通过它来管理着我们的银行卡、余额、花呗这些金融服务。


我们以支付宝以及支付宝账户进行类比,假设ThreadLocal就是支付宝,每个支付宝账户实际就是单独的线程,而账户中的余额属性就相当于Thread的私有属性ThreadLocalMap。我们在日常生活中,进行账户余额的充值或者消费,并不是直接通过账户进行操作的,而是借助于支付宝进行维护的。这就相当于每个线程对ThreadLocalMap进行操作的时候也不是直接操作的,而是借助于ThreadLocal来操作。


那么Thread到底是怎么借助ThreadLocal进行私有属性管理的呢?还是需要进一步查看Thread进行set以及get操作的源码。从以下的ThreadLocal的源码中我们可以看出,在进行操作之前,需要获取当前的执行操作的线程,再根据线程或者线程中私有的ThreadLocalMap属性来进行操作。


在进行数据获取的时候,也是按照同样的流程,先获取当前的线程,再获取线程中对应的ThreadLocalMap属性来进行后续的值的获取。

经过上述的源码的分析,我们可以得出这样的结论,ThreadLocal之所以可以实现变量的线程隔离访问,实际上就是借助于Thread中的ThreadLocalMap属性来进行操作。由于都是操作线程本身的属性,因此并不会影响其他线程中的变量值,因此可以实现线程级别的数据修改隔离。


为什么ThreadLocal会出现OOM的问题?
内存泄漏演示
我们都知道,ThreadLocal如果使用不当的话会出现内存泄漏的问题,那么我们就通过下面的这段代码来分析下,内存泄漏的原因到底是什么。

/**
 * @author mufeng
 * @description 测试ThreadLocal内存溢出
 * @date 2022/1/16 19:01
 * @since
 */
public class ThreadLocalOOM {

    /**
     * 测试线程池
     */
    private static Executor threadPool = new ThreadPoolExecutor(3, 3, 40,
            TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>());


    static class Info {
        private byte[] info = new byte[10 * 1024 * 1024];
    }

    private  static ThreadLocal<Info> infoThreadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threadPool.execute(() -> {
                infoThreadLocal.set(new Info());
                System.out.println("Thread started:" + Thread.currentThread().getName());
            });
            Thread.sleep(100);
        }

    }
}

手动进行GC之后,我们可以发现堆中仍然有超过30M的堆内存占用,如上面的代码,在线程池中活跃的线程会有三个,对应的value为10M,说明在线程还存活的情况下,对应的value并没有被回收,因此存在内存泄漏的情况,如果存在大量线程的情况,就会出现 OOM。

当我们修改代码在线程中进行remove操作,手动GC之后我们发现堆内存趋近于0了,之前没有被回收的对象已经被回收了。


内存泄漏问题分析
以上是对于ThreadLocal发生内存泄漏问题的演示,那么再来仔细分析下背后的原因是什么。ThreadLocal中实际存储数据的是ThreadLocalMap,实际上Map对应的key是一个虚引用,在GC的时候可以被回收掉,但是问题就在于key所对应的value,它是强引用,只要线程存活,那么这条引用链就会一致存在,如果出现大量线程的时候就会有OOM的风险。
所以在使用ThreadLocal的时候一定记得要显式的调用remove方法进行清理,防止内存泄漏。


父子线程的参数传递
到这里,我相信大家对于ThreadLocal的原理有了比较深入的理解了。结合上文中的ThreadLocal代码,不知道大家有没有思考过一个问题,我们在使用ThreadLocal的时候都是在同一个线程内进行了set以及get操作,那么如果set操作与get操作在父子线程中是否还可以正常的获取呢?带着这样的疑问,我们来看下如下的代码。

/**
 * @author mufeng
 * @description 父子线程参数传递
 * @date 2022/1/16 9:54
 * @since
 */
public class InheritableThreadLocalMain {

    private static final ThreadLocal<String> count = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {

        count.set("父子线程参数传递!!!");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());
        }).start();

    }

}

与之前代码有所不同,ThreadLocal的设值是在main线程中进行的,但是获取操作实际是在主线程下的子线程中进行的,大家可以分析一下运行结果是怎么样的。

看到这个运行结果,不知道大家分析的对不对呢。实际上如果理解了上文的核心的话,这个问题应该很好分析的。ThreadLocal获取数据的时候,首先是需要获取当前的线程的,根据线程获取实际存储数据的ThreadLocalMap,上文代码中设置和获取在父子线程中进行,那肯定是获取不到设置的数据的。但是在现实的项目开发中,我们会经常遇到需要将父线程的变量值传递给子线程进行处理,那么应该要怎么来实现呢?这个时候InheritableThreadLocal就派上用场了。

/**
 * @author mufeng
 * @description 父子线程参数传递
 * @date 2022/1/16 9:54
 * @since
 */
public class InheritableThreadLocalMain {

    private static final ThreadLocal<String> count = new InheritableThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {

        count.set("父子线程参数传递!!!");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());
        }).start();

    }

}


那么InheritableThreadLocal到底是如何实现父子线程的参数传递的呢?我么还是的看看源码中的实现原理。实际上在Thread源码中,除了有Threadlocal私有属性还有InheritableThreadLocal私有属性。

public class Thread implements Runnable {
    
     /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

    /*
     * InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is
     * maintained by the InheritableThreadLocal class.
     */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
...
    public Thread(Runnable target) {
        init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    }
    
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize) {
        init(g, target, name, stackSize, null, true);
    }
    
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
        ...
        //关键
         if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals); 
        ...    
        
    }
    ...
    
}


实际在进行子线程创建的时候,在线程初始化过程中,判断了父线程中的inheritableThreadLocals属性是否为空,如果不为空的话需要进行值的复制,这样便实现了父子线程的值传递。



总结
本文主要对ThreadLocal进行了相对全面的分析,从它的使用场景、原理以及源码分析、产生OOM的原因以及一些使用上的注意,相信通过本文的学习,大家对于ThreadLocal会有更加深刻的理解。
 
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