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ThreadLocal原理介绍及应用场景

2021-12-25 09:45:04 作者：pony-zi

本文详细讲解了ThreadLocal原理介绍及应用场景，对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，需要的朋友们下面随着小编来一起学习学习吧

本次给大家介绍重要的工具ThreadLocal。讲解内容如下，同时介绍什么场景下发生内存泄漏，如何复现内存泄漏，如何正确使用它来避免内存泄漏。

ThreadLocal是什么？有哪些用途？
ThreadLocal如何使用
ThreadLocal原理
ThreadLocal使用有哪些坑及注意事项

1. ThreadLocal是什么？有哪些用途？

首先介绍Thread类中属性threadLocals:

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained * by the ThreadLocal class. */

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

我们发现Thread并没有提供成员变量threadLocals的设置与访问的方法，那么每个线程的实例threadLocals参数我们如何操作呢？这时我们的主角：ThreadLocal就登场了。

所以有那么一句总结：ThreadLocal是线程Thread中属性threadLocals的管理者。

也就是说我们对于ThreadLocal的get, set，remove的操作结果都是针对当前线程Thread实例的threadLocals存，取，删除操作。类似于一个开发者的任务，产品经理左右不了，产品经理只能通过技术leader来给开发者分配任务。下面再举个栗子，进一步说明他们之间的关系：

1.每个人都一张银行卡

2.每个人每张卡都有一定的余额。

3.每个人获取银行卡余额都必须通过该银行的管理系统。

4.每个人都只能获取自己卡持有的余额信息，他人的不可访问。

映射到我们要说的ThreadLocal

1.card类似于Thread
2.card余额属性，卡号属性等类似于Treadlocal内部属性集合threadLocals
3.cardManager类似于ThreadLocal管理类

那ThreadLocal有哪些应用场景呢？

其实我们无意间已经时时刻刻在使用ThreadLocal提供的便利，如果说多数据源的切换你比较陌生，那么spring提供的声明式事务就再熟悉不过了，我们在研发过程中无时无刻不在使用，而spring声明式事务的重要实现基础就是ThreadLocal，只不过大家没有去深入研究spring声明式事务的实现机制。后面有机会我会给大家介绍spring声明式事务的原理及实现机制。

原来ThreadLocal这么强大，但应用开发者使用较少，同时有些研发人员对于ThreadLocal内存泄漏，等潜在问题，不敢试用，恐怕这是对于ThreadLocal最大的误解，后面我们将会仔细分析，只要按照正确使用方式，就没什么问题。如果ThreadLocal存在问题，岂不是spring声明式事务是我们程序最大的潜在危险吗？

2.ThreadLocal如何使用

为了更直观的体会ThreadLocal的使用我们假设如下场景

1.我们给每个线程生成一个ID。
2.一旦设置，线程生命周期内不可变化。
3.容器活动期间不可以生成重复的ID

我们创建一个ThreadLocal管理类：

测试程序如下：我们同一个线程不断get，测试id是否变化，同时测试完成后我们就将其释放掉。

在主程序中我们开启多个线程测试不通线程之间是否会影响

不出意外我们的结果为：

结果：确实是不同线程间id不同，相同线程id相同。

3.ThreadLocal原理

①ThreadLocal类结构及方法解析：

上图可知：ThreadLocal三个方法get, set , remove以及内部类`ThreadLocalMap

②ThreadLocal及Thread之间的关系：

从这张图我们可以直观的看到Thread中属性threadLocals，作为一个特殊的Map，它的key值就是我们ThreadLocal实例，而value值这是我们设置的值。

③ThreadLocal的操作过程：

我们以get方法为例:

其中getMap(t)返回的就上当前线程的threadlocals，如下图，然后根据当前ThreadLocal实例对象作为key获取ThreadLocalMap中的value，如果首次进来这调用setInitialValue()

set的过程也类似：

注意：ThreadLocal中可以直接t.threadLocals是因为Thread与ThreadLocal在同一个包下，同样Thread可以直接访问ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;来进行声明属性。

4.ThreadLocal使用有哪些坑及注意事项

我经常在网上看到骇人听闻的标题，ThreadLocal导致内存泄漏，这通常让一些刚开始对ThreadLocal理解不透彻的开发者，不敢贸然使用。越不用，越陌生。这样就让我们错失了更好的实现方案，所以敢于引入新技术，敢于踩坑，才能不断进步。

我们来看下为什么说ThreadLocal会引起内存泄漏，什么场景下会导致内存泄漏？

先回顾下什么叫内存泄漏，对应的什么叫内存溢出

①Memory overflow:内存溢出，没有足够的内存提供申请者使用。
②Memory leak:内存泄漏，程序申请内存后，无法释放已申请的内存空间，内存泄漏的堆积终将导致内存溢出。

显然是TreadLocal在不规范使用的情况下导致了内存没有释放。

红框里我们看到了一个特殊的类WeakReference，同样这个类，应用开发者也同样很少使用，这里简单介绍下吧

类型	回收时间	应用场景
强引用	一直存活，除非GC Roots不可达	所有程序的场景，基本对象，自定义对象等
软引用	内存不足时会被回收	一般用在对内存非常敏感的资源上，用作缓存的场景比较多，例如：网页缓存、图片缓存
弱引用	只能存活到下一次GC前	生命周期很短的对象，例如ThreadLocal中的Key。
虚引用	随时会被回收，创建了可能很快就会被回收	可能被JVM团队内部用来跟踪JVM的垃圾回收活动

既然WeakReference在下一次gc即将被回收，那么我们的程序为什么没有出问题呢？

①所以我们测试下弱引用的回收机制：

这一种存在强引用不会被回收。

这里没有强引用将会被回收。

上面演示了弱引用的回收情况，下面我们看下ThreadLocal的弱引用回收情况。

②ThreadLocal的弱引用回收情况

如上图所示，我们在作为key的ThreadLocal对象没有外部强引用，下一次gc必将产生key值为null的数据，若线程没有及时结束必然出现，一条强引用链

Threadref–>Thread–>ThreadLocalMap–>Entry，所以这将导致内存泄漏。

下面我们模拟复现ThreadLocal导致内存泄漏：

1.为了效果更佳明显我们将我们的treadlocals的存储值value设置为1万字符串的列表：

class ThreadLocalMemory {
    // Thread local variable containing each thread's ID
    public ThreadLocal<List<Object>> threadId = new ThreadLocal<List<Object>>() {
        @Override
        protected List<Object> initialValue() {
            List<Object> list = new ArrayList<Object>();
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                list.add(String.valueOf(i));
            }
            return list;
        }
    };
    // Returns the current thread's unique ID, assigning it if necessary
    public List<Object> get() {
        return threadId.get();
    }
    // remove currentid
    public void remove() {
        threadId.remove();
    }
}

测试代码如下：

public static void main(String[] args)
            throws InterruptedException {

        //  为了复现key被回收的场景，我们使用临时变量
        ThreadLocalMemory memeory = new ThreadLocalMemory();

        // 调用
        incrementSameThreadId(memeory);

        System.out.println("GC前：key:" + memeory.threadId);
        System.out.println("GC前：value-size:" + refelectThreadLocals(Thread.currentThread()));

        // 设置为null，调用gc并不一定触发垃圾回收，但是可以通过java提供的一些工具进行手工触发gc回收。
        memeory.threadId = null;
        System.gc();

        System.out.println("GC后：key:" + memeory.threadId);
        System.out.println("GC后：value-size:" + refelectThreadLocals(Thread.currentThread()));

        // 模拟线程一直运行
        while (true) {
        }
    }

此时我们如何知道内存中存在memory leak呢？

我们可以借助jdk提供的一些命令dump当前堆内存，命令如下：

jmap -dump:live,format=b,file=heap.bin <pid>

然后我们借助MAT可视化分析工具，来查看对内存，分析对象实例的存活状态：