学习笔记：Java并发编程（补）ThreadLocal

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• 【尚硅谷】学习视频：https://www.bilibili.com/video/BV1ar4y1x727
• 【黑马程序员】学习视频：https://www.bilibili.com/video/BV15b4y117RJ

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参考书籍

• 《实战 JAVA 高并发程序设计》 葛一鸣 著
• 《深入理解 JAVA 虚拟机 | JVM 高级特性与最佳实践》 周志明 著

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系列目录

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• 学习笔记：Java 并发编程①_基础知识入门
• 学习笔记：Java 并发编程②_共享模型之管程
• 学习笔记：Java 并发编程③_共享模型之内存
• 学习笔记：Java 并发编程④_共享模型之无锁
• 学习笔记：Java 并发编程⑤_共享模型之不可变
• 学习笔记：Java 并发编程⑥_共享模型之并发工具_线程池
• 学习笔记：Java 并发编程⑥_共享模型之并发工具_JUC
• 学习笔记：Java并发编程（补）CompletableFuture
• 学习笔记：Java并发编程（补）ThreadLocal

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前言

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系列文章目录中的前七篇文章的相关学习视频都是：黑马程序员深入学习 Java 并发编程，JUC 并发编程全套教程。然而这个时长为 32h 的视频中并没有 ThreadLocal 的相关知识，这个知识点是非常重要的，需要掌握。故找了相关的视频来学习这个重要的知识点，写在了系列文章目录中的第九篇博客里。第九篇的相关学习视频是 尚硅谷 JUC 并发编程（对标阿里 P6-P7）

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• 若文章内容或图片失效，请留言反馈。
• 部分素材来自网络，若不小心影响到您的利益，请联系博主删除。
• 写这篇博客旨在制作笔记，方便个人在线阅览，巩固知识。无他用。

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• ThreaLocal<T>：该类提供线程局部变量

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常问问题

• 请描述 ThreadLocal 中 ThreadLocalMap 的数据结构和关系
• ThreadLocal 中的 key 是弱引用，这是为什么？
• ThreadLocal 中的内存泄露问题的原因
• 在 ThreadLocal 中，最后为什么要加 remove() 方法

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1.基本概念

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ThreadLocal 提供局部变量。这些变量和正常的变量是不同的，每一个线程在访问 ThreadLocal 实例的时候（通过 ThreadLocal 提供 的 get() 或 set() 方法）都有着属于自己的、独立初始化的变量副本。ThreadLocal 实例通常是类中的私有静态字段，使用它的目的是把状态（例：用户ID 或 事务ID）与线程关联起来。

类似于填表：100 个人和一支笔，每个人都得挨个填写，必须保证不出现哄抢现象，负责谁也填不完；如果是 100 个人，人手一支笔，那么大家就可以很快的完成填表操作。

ThreadLocal 可以让每一个线程都有自己专属的本地变量副本（人人有份）。每一个线程都绑定了自己的值，通过 get() 方法、set() 方法获取到默认值，或是将其值更改为当前线程中所存的副本的值，从而避免了线程安全的问题。

不过，为每一个线程分配一个对象的工作并不是由 ThreadLocal 完成的，而是需要在应用层面保证的。如果在应用中，为每一个线程分配相同的对象实例，此时 ThreadLocal 也不能保证线程安全。

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2.相关 API

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变量和类型	方法	描述
T	get()	返回当前线程的线程局部变量副本中的值
protected T	initialValue()	返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”
void	remove()	删除此线程局部变量的当前线程值
void	set(T value)	将此线程局部变量的当前线程副本设置为指定值
static <S> ThreadLocal<S>	withInitial(Supplier<? extends S> supplier	创建一个线程局部变量

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3.实操

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3.1.注意事项

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3.1.1.当前线程的 “初始值”

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• 这里提一下 withInitial(Supplier<? extends S> supplier 和 initialValue()

上面的这俩方法的功能是差不太多的

initialValue() 可以通过匿名内部类的方式 返回此线程局部变量的当前线程的 “初始值”

ThreadLocal<Integer> saleVolume = new ThreadLocal<Integer>() {@Overrideprotected Integer initialValue() {return 0;}
};

但是匿名内部类这种写法的还是过于繁琐了，更推荐 withInitial(Supplier<? extends S> supplier 的方式来创建一个线程局部变量

ThreadLocal<Integer> saleVolume = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

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3.1.2.回收自定义的 ThreadLocal 变量

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• 这里提一下 ThreadLocal 的相关要求（阿里巴巴 Java开发手册）

一般来说，我们 必须要回收自定义的 ThreadLocal 变量。尤其是在线程池的场景下，线程经常会被复用，如果不清理掉自定义的 ThreadLocal 变量，很可能会影响后续业务逻辑和造成内存泄露等问题。尽量在 try-finally 块进行回收

​objectThreadLocal.set(userInfo);try {    // ...
} finally {    objectThreadLocal.remove();
}

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3.2.案例一

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案例：5 个销售卖房子，公司按照总销售额来统计，最终五个人平均分配奖金，那么此时我们只需要知道最终的销售额就行

然而，时代变了。现在是希望各位销售凭本事抽提成了，按照各自的出单数来发放对应的奖金了。

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House.java

public class House {int saleCount = 0;public synchronized void saleHouse() {++saleCount;}ThreadLocal<Integer> saleVolume = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);public void saleVolumeByThreadLocal() {saleVolume.set(1 + saleVolume.get());}
}

ThreadLocalDemo_1.java

@Slf4j(topic = "c.Demo_1")
public class ThreadLocalDemo_1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {House house = new House();for (int i = 1; i <= 5; i++) {new Thread(() -> {int size = new Random().nextInt(5) + 1;try {for (int j = 1; j <= size; j++) {house.saleHouse();house.saleVolumeByThreadLocal();}log.info("【{} 号销售卖出了 {} 套】", Thread.currentThread().getName(), house.saleVolume.get());} finally {house.saleVolume.remove();}}, String.valueOf(i)).start();}TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);System.out.println("----------------------------------------------------------------");log.info("【一共卖出了 {} 套】", house.saleCount);}
}

控制台输出信息

19:13:46.044 [1] INFO c.Demo_1 - 【1 号销售卖出了 2 套】
19:13:46.044 [4] INFO c.Demo_1 - 【4 号销售卖出了 4 套】
19:13:46.044 [5] INFO c.Demo_1 - 【5 号销售卖出了 1 套】
19:13:46.044 [2] INFO c.Demo_1 - 【2 号销售卖出了 2 套】
19:13:46.044 [3] INFO c.Demo_1 - 【3 号销售卖出了 5 套】
----------------------------------------------------------------
19:13:46.345 [main] INFO c.Demo_1 - 【一共卖出了 14 套】

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3.3.案例二

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此处仍然是在证明回收自定义的 ThreadLocal 变量的重要性。

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MyData.java

public class MyData {ThreadLocal<Integer> threadLocalField = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);public void add() {threadLocalField.set(1 + threadLocalField.get());}
}

ThreadLocalDemo_2

@Slf4j(topic = "c.ThreadLocalDemo_2")
public class ThreadLocalDemo_2 {public static void main(String[] args) {MyData myData = new MyData();ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);try {for (int i = 0; i <= 10; i++) {try {threadPool.submit(() -> {Integer beforeInt = myData.threadLocalField.get();myData.add();Integer afterInt = myData.threadLocalField.get();log.info("【beforeInt：{}、afterint：{}】", beforeInt, afterInt);});} finally {myData.threadLocalField.remove();}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {threadPool.shutdown();}}
}

控制台输出信息

21:23:43.817 [pool-1-thread-3] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：0、afterint：1】
21:23:43.817 [pool-1-thread-1] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：0、afterint：1】
21:23:43.817 [pool-1-thread-2] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：0、afterint：1】
21:23:43.828 [pool-1-thread-1] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：1、afterint：2】
21:23:43.828 [pool-1-thread-2] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：1、afterint：2】
21:23:43.828 [pool-1-thread-3] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：1、afterint：2】
21:23:43.829 [pool-1-thread-2] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：2、afterint：3】
21:23:43.829 [pool-1-thread-1] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：2、afterint：3】
21:23:43.829 [pool-1-thread-3] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：2、afterint：3】
21:23:43.829 [pool-1-thread-2] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：3、afterint：4】
21:23:43.829 [pool-1-thread-1] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：3、afterint：4】

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如果没有调用 ThreadLocal 的 remove() 的话，则会造成如下的结果

21:24:53.053 [pool-1-thread-3] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：0、afterint：1】
21:24:53.053 [pool-1-thread-1] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：0、afterint：1】
21:24:53.053 [pool-1-thread-2] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：0、afterint：1】
21:24:53.064 [pool-1-thread-3] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：1、afterint：2】
21:24:53.064 [pool-1-thread-2] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：1、afterint：2】
21:24:53.064 [pool-1-thread-1] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：1、afterint：2】
21:24:53.064 [pool-1-thread-3] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：2、afterint：3】
21:24:53.064 [pool-1-thread-2] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：2、afterint：3】
21:24:53.064 [pool-1-thread-3] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：3、afterint：4】
21:24:53.064 [pool-1-thread-2] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：3、afterint：4】
21:24:53.064 [pool-1-thread-1] INFO c.Demo_2 - 【beforeInt：2、afterint：3】

如上所示，后一个任务被前一个任务影响到了，这不符合线程池中提交的任务分别运行在独立的线程中的想法。

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3.4.小结

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• 因为每个 Thread 内有自己的实例副本，且该副本只能由当前线程自己使用
• 既然其他 Thread 不可访问，那就不存在多线程共享的问题
• 统一设置初始值，但是每个线程对这个值的修改都是互相独立的（也就是各改各的）

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如何才能不争抢？

• 加入 synchronized 或者 lock 控制线程的访问顺序
• ThreadLocal 人手一份，大家各自安好，无需抢夺

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3.5.SimpleDateFormat

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既然上面提到了 阿里巴巴 Java开发手册 的并发处理，那就再提一个 SimpleDateFormat 的介绍

SimpleDateFormat 是线程不安全的类，一般不要定义为 static 变量，如果定义为 static，则必须加锁，或者使用 DateUtils 工具类。

正例：注意线程安全，使用 DateUtils。亦推荐如下处理：

private static final ThreadLocal<DateFormat> df = new ThreadLocal<DateFormat>() { @Override protected DateFormat initialValue() { return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd"); } 
}; 

说明：如果是 JDK 8 的应用，可以使用 Instant 代替 Date，LocalDateTime 代替 Calendar，DateTimeFormatter 代替 SimpleDateFormat

官方给出的解释：simple beautiful strong immutable thread-safe。

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4.ThreadLocal 源码

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4.1.ThreadLocalMap

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• Thread 和 ThreadLocal

java/lang/Thread.java

ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

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• ThreadLocal 和 ThreadLocalMap

java/lang/ThreadLocal.java

static class ThreadLocalMap {... ...
}

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 中的一个静态内部类

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ThreadLocalMap 实际上就是一个以 threadLocal 实例为 key，任意对象为 value 的 Entry 对象

void createMap(Thread t, T firstValue) {t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

当我们为 threadLocal 变量赋值时，实际上就是把当前 threadLocal 实例为 key，值为 value> 的 Entry 对象，存在 threadLocalMap 中

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4.2.get() 方法

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get() 方法先取得当前线程的 ThreadLocalMap 对象，然后将自己作为 key 来取得内部的实际数据

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• ThreadLocal.get() 源码（java/lang/ThreadLocal.java）

public T get() {Thread t = Thread.currentThread();ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null) {ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")T result = (T)e.value;return result;}}return setInitialValue();
}

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相关方法

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java/lang/Thread.java

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

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java/lang/ThreadLocal.java

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {return t.threadLocals;
}

private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {... ...private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);Entry e = table[i];if (e != null && e.get() == key)return e;elsereturn getEntryAfterMiss(key, i, e);}... ...
}

private T setInitialValue() {T value = initialValue();Thread t = Thread.currentThread();ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null)map.set(this, value);elsecreateMap(t, value);return value;
}

如果不给 ThreadLocal 设值的话，一般会默认设 null 值（protected T initialValue()）

为了避免日后程序运行时报空指针异常，一定要给 ThreadLocal 设置初始值。

protected T initialValue() {return null;
}

void createMap(Thread t, T firstValue) {t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);size = 1;setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

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4.3.set() 方法

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在 set() 方法中，首先获得当前线程对象，然后通过 getMap() 方法获取到线程的 ThreadLocalMap，并将值存入到 ThreadLocalMap 中

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java/lang/ThreadLocal.java

public void set(T value) {Thread t = Thread.currentThread();ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null)map.set(this, value);elsecreateMap(t, value);
}

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {Entry[] tab = table;int len = tab.length;int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);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;}}tab[i] = new Entry(key, value);int sz = ++size;if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)rehash();
}

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4.4.remove() 方法

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java/lang/ThreadLocal.java

public void remove() {ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());if (m != null)m.remove(this);
}

// Remove the entry for key.
private void remove(ThreadLocal<?> key) {Entry[] tab = table;int len = tab.length;int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);for (Entry e = tab[i];e != null;e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {if (e.get() == key) {e.clear();expungeStaleEntry(i);return;}}
}

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4.4.小结

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分析

可以这样理解：ThreadLocalMap 从字面上就可以看出这是一个保存了 Threadlocal 对象的 map（准确的说，ThreadLocalMap 是以 ThreadLocal 为 Key 的 Entry），一个经历了两层包装的 ThreadLocal 对象。

可以这样理解：JVM 内部维护了一个线程版的 Map<ThreadLocal, Value>。其通过 ThreadLocal 对象的 set() 方法，以 ThreadLocal 对象自己为 key，存入 ThreadLocalMap 中；在每一个线程要用到这个 T 的时候，都需要当前的线程去 Map 中获取；通过这样的方式，使得每一个线程都有自己独属的变量，人手一份，不争不抢。既然竞争条件都被消除了，那么它在并发模式下就是绝对安全的变量。

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总结

ThreadLocal 是一个壳子，真正的存储结构是 ThreadLocal 中的静态内部类 ThreadLocalMap。

每个 Thread 对象维护着一个 ThreadLocalMap 的引用，ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的内部类，用 Entry 来进行存储。

• 调用 ThreadLocal 的 set() 方法时，实际上就是往 ThreadLocalMap 设置值，key 是 ThreadLocal 对象，值 Value 是传递进来的对象
• 调用 ThreadLocal 的 get() 方法时，实际上就是往 ThreadLocalMap 获取值，key 是 ThreadLocal 对象

ThreadLocal 本身并不存储值（ThreadLocal 是一个壳子），它只是自己作为一个 key 来让线程从 ThreadLocalMap 获取 value。

正因为这个原理，所以 ThreadLocal 能够实现 “数据隔离”，获取当前线程的局部变量值，不受其他线程影响。

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5.内存泄露问题

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不会再次被使用的对象 或 变量占用的内存 不能被回收，就是内存泄露。

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5.1.四种引用

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有关四种引用的更多信息，我都写在了这篇博客里：【Java 虚拟机②】垃圾回收，此处只是提个大概。

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JAVA 技术允许使用 finalize() 方法 在垃圾收集器将对象从内存中清除出去之前做必要的清理工作。

java/lang/Object.java

protected void finalize() throws Throwable { }

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参考书籍：《深入理解 JAVA 虚拟机 | JVM 高级特性与最佳实践》 周志明 著

在 JDK 1.2 版之后，Java 对引用的概念进行了扩充，将引用分为四种类型。
强引用（Strongly Re-ference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用（Phantom Reference）。
这 4 种引用的强度依次逐渐减弱。

强引用是最传统的 “引用” 的定义，是指在程序代码之中普遍存在的引用赋值

• 类似于 Object obj=new Object() 这种引用关系。
• 无论处于何种情况下，只要强引用关系还存在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。
• 因此，强引用是造成 JAVA 内存泄露的主要原因之一。

软引用是用来描述一些还有用，但非必须的对象。

• 只被软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常前，会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收。
• 如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。
• 在 JDK 1.2 版之后提供了 SoftReference 类来实现软引用。

弱引用也是用来描述那些非必须对象。

• 但是它的强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生为止。
• 当垃圾收集器开始工作，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。
• 在 JDK 1.2 版之后提供了 WeakReference 类来实现弱引用。

虚引用也称为 “幽灵引用” 或者 “幻影引用”，它是最弱的一种引用关系。

• 一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。
• 为一个对象设置虚引用关联的唯一目的只是为了能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。
• 在 JDK 1.2 版之后提供了 PhantomReference 类来实现虚引用。

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• 强引用
  只有所有 GC Roots 对象都不通过 强引用 引用该对象，该对象才能被垃圾回收。
• 软引用（SoftReference）
  仅有软引用引用该对象时，在垃圾回收后内存仍不足的情况下，会再次触发垃圾回收，回收软引用对象。
  可以配合 引用队列 来释放软引用自身。
  软引用通常用在对内存敏感的程序中，比如高速缓存中就有用到软引用。
  简言之，对于只有软引用的对象而言，内存足够的时候就保留它，内存不够用就会回收它。
• 弱引用（WeakReference）
  仅有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象。
  但若要释放弱引用自身，则需要配合 引用队列 来释放弱引用自身
• 虚引用（PhantomReference）必须配合 引用队列 使用（主要配合 ByteBuffer）。
  被引用对象回收时，会将虚引用入队，由 Reference Handler 线程调用虚引用相关方法释放 直接内存
  例如：由 Reference Handler 线程通过 Cleaner 的 clean 方法调用 Unsafe.freeMemory 来释放直接内存

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注意细节

• 虚引用必须要和引用队列（ReferenceQueue）联合使用
  虚引用需要 java.lang.PhantomReference 类来实现。与其他几个引用不同，虚引用不会决定对象的生命周期。
  如果一个对象只是持有虚引用，那么它在任何时候都可能被垃圾回收期回收。它不可以被单独使用，也不可以通过它来访问对象。
• PhantomReference 的 get() 方法总是返回 null，因此无法访问对应的引用对象。
  虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。
  它仅仅是提供了一种确保对象被 finalize 之后，做某些事情的通知机制。
• 处理监控，通知使用
  设置虚引用的唯一目的，就是为了在这个对象被收集器回收的时候，收到一个系统通知或者后续添加进一步的处理，用来实现比 finalize 机制更灵活的回收操作。

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小结

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5.2.Thread.exit()

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参考书籍：《实战 JAVA 高并发程序设计》 葛一鸣 著

在了解了 ThreadLocal 的内部实现后，我们自然会引出一个问题。
那就是这些变量是维护在 Thread 类内部的（ThreadLocalMap 定义所在类），这也意味着只要线程不退出，对象的引用将一直存在。
当线程退出时，Thread 类会进行一些清理工作，其中就包括清理 ThreadLocalMap

java/lang/Thread.java

private void exit() {if (group != null) {group.threadTerminated(this);group = null;}/* Aggressively null out all reference fields: see bug 4006245 */target = null;/* Speed the release of some of these resources *//* ******************************************************************** */threadLocals = null;inheritableThreadLocals = null;/* ******************************************************************** */inheritedAccessControlContext = null;blocker = null;uncaughtExceptionHandler = null;
}

因此，如果我们使用线程池，那就意味着当前线程未必会退出（比如固定大小的线程池，线程总是存在）。
如果是这样的话，将一些大的对象设置到 ThreadLocal 中（它实际保存在线程持有的 threadLocalMap 内），可能会使系统出现内存泄露（这里我的意思是：你设置了对象到 ThreadLocal 中，但是不清理它，在你使用几次后，这个对象也不再有用了，但是它却无法被回收）。
此时，如果你希望及时回收对象，最好使用 ThreadLocal.remove() 方法将这个变量移除。就像我们习惯性地关闭数据库连接一样。如果你确实不需要这个对象了，那么就应该告诉虚拟机，请把它回收掉，防止内存泄露。

另外一种有趣的情况是 JDK 也可能允许你像释放普通变量一样释放 ThreadLocal。
例：我们有时候为了加速垃圾回收，会特意写出类似 obj = null 之类的代码。如果这么做，obj 所指向的对象就会更容易地被垃圾回收器发现，从而加速回收。同理，如果对于 ThreadLocal 的变量，我们也手动将其设置为 null，比如 tl = null。那么这个 ThreadLocal 对应的所有线程的局部变量都有可能被回收。

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5.3.源代码使用弱引用

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public class T {volatile boolean flag;public static void main(String[] args) {ThreadLocal<String> t1 = new ThreadLocal<>();t1.set("[e-mail]");t1.get();}
}

为什么源代码要用弱引用？

当 function01 方法执行完毕后，栈帧销毁，强引用 t1 也就没有了。

但问题在于此时的 ThreadLocalMap 里的某个 entry 的 key 依旧指向这这个对象。

• 如果这个 key 引用是强引用，就会导致 key 指向的 ThreadLocal 对象及 v 指向的对象不能被 GC 回收，造成内存泄漏
• 如果这个 key 引用是弱引用就大概率会减少内存泄漏的问题（还有一个 key 为 null 的坑)。

使用弱引用，就可以使 ThreadLocal 对象在方法执行完毕后顺利被回收且 Entry 的 key 引用指向为 null

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此后，我们调用 get()、set()、remove() 方法的时候，就会尝试去删除 key 为 null 的 entry，可以释放 value 对象所占用的内存。

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这里我再贴一下 《实战 JAVA 高并发程序设计》 书中的内容。

参考书籍：《实战 JAVA 高并发程序设计》 葛一鸣 著

ThreadLocalMap 的实现使用了弱引用。弱引用是比强引用弱得多的引用。Java 虚拟机在垃圾回收时，如果发现弱引用，就会立即回收。ThreadLocalMap 内部由一系列 Entry 构成，每一个 Entry 都是 WeakReference<ThreadLocal>

java/lang/ThreadLocal.java

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;}}... ...}

这里的参数 k 就是 Map 的 key，v 就是 Map 的 value。
其中 k 也就是 ThreadLocal 实例，作为弱引用使用（super(k) 就是调用了 WeakReference 的构造函数）。
因此，虽然这里使用 ThreadLocal 作为 Map 的 key，但是实际上,它并不真的持有 ThreadLocal 的引用。
而当 ThreadLocal 的外部强引用被回收时，ThreadLocalMap 中的 key 就会变成 null。
当系统进行 ThreadLocalMap清理时（比如将新的变量加入表中，就会自动执行一次清理。不过 JDK 不一定会进行一次彻底清理）时，就会自然将这些垃圾数据回收。

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5.4.key 为 null 的 entry

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我们为 threadLocal 变量赋值，实际上就是当前的 Entry（threadLocal 实例为 key，值为 null）往这个 threadLocalMap 中存放。

Entry 中的 key 是弱引用，在 threadLocal 外部强引用被置为 null（t1 = null）后，如果系统发生 GC 时，根据可达性分析，这个 threadLocal 就没有办法如何一条链路能够引用到它，这个 ThreadLocal 势必会被回收。这样一来，ThreadLocalMap 中就会出现 key 是 null 的 Entry，就没有办法访问到这些 key 是 null 的 Entry 的 value。如果当前线程迟迟不结束的话（比如正好在使用线程池），这些 key 为 null 的 Entry 的 value 就会一直存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreadLocalMap -> Entry -> value，这样就无法回收，造成了内存泄露。

当然，如果当前 thread 运行结束，threadLocal、threadLocalMap、Entry 没有引用链是可达的，在 GC 时就可以被系统回收。

然而在实际开发中，我们通常会使用线程池来维护我们的线程，比如 Executors.newFixedThreadPool() 创建线程的时候，为了复用线程，我们是不会让它结束的，此时 threadLocal 的内存就值的我们小心了。

虽然弱引用保证了 key 指向的 ThreadLocal 对象可以被及时回收，但是 v 指向的 value 对象是需要 ThreadLocalMap 调用 get()、set() 时发现 key 为 null，才会去回收整个 entry、value，因此弱引用不能百发百保证内存不会泄露。

我们需要在不使用某个 ThreadLocal 对象后，手动调用 remove() 方法来删除它，尤其是在线程池中。这里不仅有内存泄露的问题，还有旧线程遗留的数据对当前线程造成影响的问题（因为线程池中的线程是复用的，这就意味着这个线程的 ThreadLocalMap 的对象也是重复使用的，如果我们不手动调用 remove() 方法，那么后面的线程就有可能获取到上个线程遗留下来的 value 值，从而造成 Bug）。

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5.5.清除脏 Entry

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在 java/lang/ThreadLocal.java 中的静态内部类 ThreadLocalMap 有这样一个方法 expungeStaleEntry()

这个方法会找到脏 Entry，即 key = null 的 Entry，，然后进行删除。

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {... ...Entry e;int i;for (i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)){ThreadLocal<?> k = e.get();if (k == null) {e.value = null;tab[i] = null;size--;} else { ... }}return i;
}

在 ThreadLocal 的生命周期里，针对 ThreadLocal 的内存泄露问题，ThreadLocal 中的 get()、set()、remove() 方法都会间接地调用到这个 expungeStaleEntry() 方法，来清理掉 key 是 null 的脏 entry

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这也就是 阿里巴巴 Java开发手册 强制要求使用 ThreadLocal.remove() 的原因所在。

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5.6.小结

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• 一定要设置初始值（ThreadLocal.withInitial(() -> 初始值)）
• 建议用 static 修饰
• 用完之后一定要手动 remove() 操作 ThreadLocal

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阿里巴巴 Java开发手册

ThreadLocal 可以实现线程的数据隔离，但这不在它本身，而在于 Thread 的 ThreadLocalMap。

故 ThreadLocalMap 可以只初始化一次，分配一次内存空间足以，没必要作为成员变量多次被初始化。

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总结（尚硅谷版）

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学习视频：【尚硅谷】ThreadLocal 之小结

• ThreadLocal 并不解决线程间共享数据的问题
• ThreadLocal 适用于变量在线程间隔离且在方法间共享的场景
• ThreadLocal 通过隐式的在不同线程内创建独立实例副本，从而避免了实例线程安全的问题。
• 每个线程持有一个只属于自己的专属 Map 并维护了 ThreadLocal 对象与具体实例的映射，该 Map 由于只被持有它的线程访问，故不存在线程安全以及锁的问题
• ThreadLocalMap 的 Entry 对 ThreadLocal 的引用为弱引用，避免了 ThreadLocal 对象无法被回收的问题
• 都会通过 expungeStaleEntry()，cleanSomeSlots()，replaceStaleEntry() 这三个方法回收键为 null 的 Entry 对象的值（即为具体实例）以及 Entry 对象本身从而防止内存泄漏，属于安全加固的方法（清除脏 entry，防止内存泄露）
• 群雄逐鹿起纷争，人各一份天下安

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总结（黑马程序员版）

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学习视频：【黑马程序员】Java 面试宝典_ThreadLocal

要求

• 掌握 ThreadLocal 的作用与原理
• 掌握 ThreadLocal 的内存释放时机

作用

• ThreadLocal 可以实现 资源对象 的线程隔离，让每个线程各用各的 资源对象，避免争用引发的 线程安全问题
• ThreadLocal 同时实现了线程内的资源共享

原理：每个线程内有一个 ThreadLocalMap 类型的成员变量（静态内部类），用来存储资源对象

• 调用 set 方法，就是以 ThreadLocal 自己作为 key，资源对象作为 value，放入当前线程的 ThreadLocalMap 集合中
• 调用 get 方法，就是以 ThreadLocal 自己作为 key，到当前线程中查找关联的资源值
• 调用 remove 方法，就是以 ThreadLocal 自己作为 key，移除当前线程关联的资源值

ThreadLocalMap 的一些特点

• key 的 hash 值 统一分配
• 初始容量 16，扩容因子 2/3，扩容容量翻倍
• key 索引冲突后用开放寻址法解决冲突

弱引用 key：ThreadLocalMap 中的 key 被设计为弱引用，原因如下

• Thread 可能需要长时间运行（如线程池中的线程），如果 key 不再使用，需要在内存不足（GC）时释放其占用的内存

内存释放时机（ThreadLocalMap 中的 key 为弱引用，value 是强引用）

• 被动 GC 释放 key
  • 仅是让 key 的内存释放，关联 value 的内存并不会释放
• 懒惰被动释放 value
  • get key 时，发现是 null key，则释放其 value 内存
  • set key 时，会使用启发式扫描，清除临近的 null key 的 value 内存，启发次数与元素个数，是否发现 null key 有关
• 主动 remove 释放 key、value
  • 会同时释放 key、value 的内存，也会清除临近的 null key 的 value 内存
  • 推荐使用它，因为一般使用 ThreadLocal 时都把它作为静态变量（即强引用），因此无法被动依靠 GC 回收

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