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撸完腾讯 T4 大佬整理的 ThreadLocal 笔记,解决内存泄漏只是小儿科

发布于: 2021 年 05 月 07 日

上一篇是分享的是《pring Boot 中 AOP 与 SpEL》,这篇分享的是《ThreadLocal 使用与原理》。

ThreadLocal 使用与原理

在处理多线程并发安全的方法中,最常用的方法,就是使用锁,通过锁来控制多个不同线程对临界区的访问。

但是,无论是什么样的锁,乐观锁或者悲观锁,都会在并发冲突的时候对性能产生一定的影响。

那有没有一种方法,可以彻底避免竞争呢?

答案是肯定的,这就是 ThreadLocal。

从字面意思上看,ThreadLocal 可以解释成线程的局部变量,也就是说一个 ThreadLocal 的变量只有当前自身线程可以访问,别的线程都访问不了,那么自然就避免了线程竞争。

因此,ThreadLocal 提供了一种与众不同的线程安全方式,它不是在发生线程冲突时想办法解决冲突,而是彻底的避免了冲突的发生。

ThreadLocal 的基本使用

创建一个 ThreadLocal 对象:

private ThreadLocal<Integer> localInt = new ThreadLocal<>();
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上述代码创建一个 localInt 变量,由于 ThreadLocal 是一个泛型类,这里指定了 localInt 的类型为整数。

下面展示了如果设置和获取这个变量的值:

public int setAndGet(){ localInt.set(8); return localInt.get(); }

上述代码设置变量的值为 8,接着取得这个值。

由于 ThreadLocal 里设置的值,只有当前线程自己看得见,这意味着你不可能通过其他线程为它初始化值。为了弥补这一点,ThreadLocal 提供了一个 withInitial()方法统一初始化所有线程的 ThreadLocal 的值:

private ThreadLocal<Integer> localInt = ThreadLocal.withInitial(() -> 6);
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上述代码将 ThreadLocal 的初始值设置为 6,这对全体线程都是可见的。

ThreadLocal 的实现原理

ThreadLocal 变量只在单个线程内可见,那它是如何做到的呢?我们先从最基本的 get()方法说起:

public T get() {    //获得当前线程    Thread t = Thread.currentThread();    //每个线程 都有一个自己的ThreadLocalMap,    //ThreadLocalMap里就保存着所有的ThreadLocal变量    ThreadLocalMap map = getMap(t);    if (map != null) {        //ThreadLocalMap的key就是当前ThreadLocal对象实例,        //多个ThreadLocal变量都是放在这个map中的        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);        if (e != null) {            @SuppressWarnings("unchecked")            //从map里取出来的值就是我们需要的这个ThreadLocal变量            T result = (T)e.value;            return result;        }    }    // 如果map没有初始化,那么在这里初始化一下    return setInitialValue();}
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可以看到,所谓的 ThreadLocal 变量就是保存在每个线程的 map 中的。这个 map 就是 Thread 对象中的 threadLocals 字段。如下:

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
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ThreadLocal.ThreadLocalMap 是一个比较特殊的 Map,它的每个 Entry 的 key 都是一个弱引用:

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {    /** The value associated with this ThreadLocal. */    Object value;    //key就是一个弱引用    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {        super(k);        value = v;    }}
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这样设计的好处是,如果这个变量不再被其他对象使用时,可以自动回收这个 ThreadLocal 对象,避免可能的内存泄露(注意,Entry 中的 value,依然是强引用,如何回收,见下文分解)。

理解 ThreadLocal 中的内存泄漏问题

虽然 ThreadLocalMap 中的 key 是弱引用,当不存在外部强引用的时候,就会自动被回收,但是 Entry 中的 value 依然是强引用。这个 value 的引用链条如下:

可以看到,只有当 Thread 被回收时,这个 value 才有被回收的机会,否则,只要线程不退出,value 总是会存在一个强引用。但是,要求每个 Thread 都会退出,是一个极其苛刻的要求,对于线程池来说,大部分线程会一直存在在系统的整个生命周期内,那样的话,就会造成 value 对象出现泄漏的可能。处理的方法是,在 ThreadLocalMap 进行 set(),get(),remove()的时候,都会进行清理:

以 getEntry()为例:

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);    Entry e = table[i];    if (e != null && e.get() == key)        //如果找到key,直接返回        return e;    else        //如果找不到,就会尝试清理,如果你总是访问存在的key,那么这个清理永远不会进来        return getEntryAfterMiss(key, i, e);}
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下面是 getEntryAfterMiss()的实现:

private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {    Entry[] tab = table;    int len = tab.length;
while (e != null) { // 整个e是entry ,也就是一个弱引用 ThreadLocal<?> k = e.get(); //如果找到了,就返回 if (k == key) return e; if (k == null) //如果key为null,说明弱引用已经被回收了 //那么就要在这里回收里面的value了 expungeStaleEntry(i); else //如果key不是要找的那个,那说明有hash冲突,这里是处理冲突,找下一个entry i = nextIndex(i, len); e = tab[i]; } return null;}
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真正用来回收 value 的是 expungeStaleEntry()方法,在 remove()和 set()方法中,都会直接或者间接调用到这个方法进行 value 的清理:

从这里可以看到,ThreadLocal 为了避免内存泄露,也算是花了一番大心思。不仅使用了弱引用维护 key,还会在每个操作上检查 key 是否被回收,进而再回收 value。

但是从中也可以看到,ThreadLocal 并不能 100%保证不发生内存泄漏。

比如,很不幸的,你的 get()方法总是访问固定几个一直存在的 ThreadLocal,那么清理动作就不会执行,如果你没有机会调用 set()和 remove(),那么这个内存泄漏依然会发生。

因此,一个良好的习惯依然是:当你不需要这个 ThreadLocal 变量时,主动调用 remove(),这样对整个系统是有好处的

ThreadLocalMap 中的 Hash 冲突处理

ThreadLocalMap 作为一个 HashMap 和 java.util.HashMap 的实现是不同的。对于 java.util.HashMap 使用的是链表法来处理冲突:

但是,对于 ThreadLocalMap,它使用的是简单的线性探测法,如果发生了元素冲突,那么就使用下一个槽位存放:

具体来说,整个 set()的过程如下:

可以被继承的 ThreadLocal——InheritableThreadLocal

在实际开发过程中,我们可能会遇到这么一种场景。主线程开了一个子线程,但是我们希望在子线程中可以访问主线程中的 ThreadLocal 对象,也就是说有些数据需要进行父子线程间的传递。比如像这样:

public static void main(String[] args) {    ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();    IntStream.range(0,10).forEach(i -> {        //每个线程的序列号,希望在子线程中能够拿到        threadLocal.set(i);        //这里来了一个子线程,我们希望可以访问上面的threadLocal        new Thread(() -> {            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());        }).start();        try {            Thread.sleep(1000);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    });}
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执行上述代码,你会看到:

Thread-0:nullThread-1:nullThread-2:nullThread-3:null
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因为在子线程中,是没有 threadLocal 的。如果我们希望子线可以看到父线程的 ThreadLocal,那么就可以使用 InheritableThreadLocal。顾名思义,这就是一个支持线程间父子继承的 ThreadLocal,将上述代码中的 threadLocal 使用 InheritableThreadLocal:

InheritableThreadLocal threadLocal = new InheritableThreadLocal();
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再执行,就能看到:

Thread-0:0Thread-1:1Thread-2:2Thread-3:3Thread-4:4
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可以看到,每个线程都可以访问到从父进程传递过来的一个数据。虽然 InheritableThreadLocal 看起来挺方便的,但是依然要注意以下几点:

  1. 变量的传递是发生在线程创建的时候,如果不是新建线程,而是用了线程池里的线程,就不灵了

  2. 变量的赋值就是从主线程的 map 复制到子线程,它们的 value 是同一个对象,如果这个对象本身不是线程安全的,那么就会有线程安全问题

写在最后的话

今天,我们介绍了 ThreadLocal,ThreadLocal 在 Java 的多线程开发中有着十分重要的作用。

在这里,我们介绍了 ThreadLocal 的基本使用和实现原理,尤其重点介绍了基于当前实现原理下可能存在的内存泄漏问题。

最后,还介绍了一个用于在父子线程间传递数据的特殊的 ThreadLocal 实现,希望对大家有所帮助。

  • 以上就是《《ThreadLocal 使用与原理》的分享。

  • 也欢迎大家交流探讨,该文章若有不正确的地方,希望大家多多包涵。

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