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标题: 线程本地存储 ThreadLocal [打印本页]

作者: 自由的羽毛 时间: 2022-9-16 17:15
标题: 线程本地存储 ThreadLocal
线程本地存储 · 语雀 (yuque.com)
线程本地存储提供了线程内存储变量的能力，这些变量是线程私有的。
线程本地存储一般用在跨类、跨方法的传递一些值。
线程本地存储也是解决特定场景下线程安全问题的思路之一（每个线程都访问本线程自己的变量）。
Java 语言提供了线程本地存储，ThreadLocal 类。

ThreadLocal 的使用及注意事项

public class TestClass {
public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();
public static void main(String[] args) {
// 设置值
threadLocal.set(1);
test();
}
private static void test() {
// 获取值,返回 1
threadLocal.get();
// 防止内存泄漏
threadLocal.remove();
}
}

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static 修饰的变量是在类在加载时就分配地址了，在类卸载才会被回收，因此使用 static 的 ThreadLocal，延长了 ThreadLocal 的生命周期，可能会导致内存泄漏。
分配使用了 ThreadLocal，又不调用 get()、set()、remove() 方法，并且当前线程迟迟不结束的话，那么就会导致内存泄漏。
ThreadLocal 的 set() 过程

每一个 Thread 实例对象中，都会有一个 ThreadLocalMap 实例对象；
ThreadLocalMap 是一个 Map 类型，底层数据结构是 Entry 数组；
一个 Entry 对象中又包含一个 key 和一个 value

key 是 ThreadLocal 实例对象的弱引用
value 就是通过 ThreadLocal#set() 方法实际存储的值

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/**
* The value associated with this ThreadLocal.
*/
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}

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ThreadLocalMap 的哈希冲突

ThreadLocalMap 里处理 hash 冲突的机制不是像 HashMap 一样使用链表（拉链法）。
它采用的是另一种经典的处理方式，沿着冲突的索引向后查找空闲的位置（开放寻址法中的线性探测法）。
下面我们通过 ThreadLocal 的 set()、get() 方法源码，分析 ThreadLocalMap 的哈希冲突解决方案。

public void set(T value) {
// 获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取当前线程的 ThreadLocalMap
ThreadLocal.ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
// 将存储的值设置到 ThreadLocalMap
map.set(this, value);
} else {
// 首次设置存储的值，需要创建 ThreadLocalMap
createMap(t, value);
}
}

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上面源码我们注意几点：

是通过递增的 AtomicInteger 作为 ThreadLocal 的 hashCode 的；
计算数组索引位置的公式是：hashCode 取模数组大小-1，由于 hashCode 不断自增，所以不同的 hashCode 大概率上会计算到同一个数组的索引位置（但这个不用担心，在实际项目中，ThreadLocal 都很少，基本上不会冲突）；
通过 hashCode 计算的索引位置 i 处如果已经有值了，会从 i 开始，通过 +1 不断的往后寻找，直到找到索引位置为空的地方，把当前 ThreadLocal 作为 key 放进去。

/**
* Remove the entry for key.
*/
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.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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ThreadLocalMap 的扩容策略

// 入参 staleSlot 是当前被删除对象在 Entry 数组中的位置
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 删除 staleSlot 位置的 value，key 已经在进入该方法前删除了 / 已经被回收
// expunge entry at staleSlot
tab[staleSlot].value = null;
// 将 Entry 对象赋值为 null，断开 Entry 实例对象的强引用
tab[staleSlot] = null;
// Entry 数组大小 - 1
size--;
// Rehash until we encounter null
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e;
int i;
// for 循环的作用是从当前位置开始向后循环处理 Entry 中的 ThreadLocal 对象
// 将从指定位置开始，遇到 null 之前的所有 ThreadLocal 对象 rehash
for (i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) {
// 获取 ThreadLocal 的虚引用引用的实例对象
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == null) {
// 虚引用引用的实例对象为 null，说明 ThreadLocal 已经被回收了
// 则删除 value 和 Entry，让虚拟机能够回收
e.value = null;
tab[i] = null;
size--;
} else {
// rehash
int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
if (h != i) {
tab[i] = null;
// 从当前 h 的位置向后找，找到一个 null 的位置将 e 填入
// Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
// null because multiple entries could have been stale.
while (tab[h] != null) {
h = nextIndex(h, len);
}
tab[h] = e;
}
}
}
return i;
}

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由上面源码我们可以看出，ThreadLocalMap 扩容的时机是，ThreadLocalMap 中的 ThreadLocal 的个数超过阈值，并且 cleanSomeSlots() 返回 false（启发式清理），然后尝试清理所有 key 为 null 的 Entry，清理完之后 ThreadLocal 的个数仍然大于阈值的四分之三，ThreadLocalMap 就要开始扩容了，我们一起来看下扩容的逻辑：

// set() 的关键方法,被 set(Object value) 调用
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
// We don't use a fast path as with get() because it is at
// least as common to use set() to create new entries as
// it is to replace existing ones, in which case, a fast
// path would fail more often than not.
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 计算 key 在数组中的下标，其实就是 ThreadLocal 的 hashCode 和数组大小-1 取余
int i = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
// 整体策略：查看 i 索引位置有没有值，有值的话，索引位置 + 1，直到找到没有值的位置
// 这种解决 hash 冲突的策略，也导致了其在 get 时查找策略有所不同，体现在 getEntryAfterMis
// nextIndex() 就是让在不超过数组长度的基础上，把数组的索引位置 + 1
for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
// 找到内存地址一样的 ThreadLocal，直接替换
// 即，修改线程本地变量
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
// 当前 key 是 null，说明 ThreadLocal 被清理了，直接替换掉并返回
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
// 当前 i 位置是无值的，可以被当前 thradLocal 使用
tab[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(key, value);
int sz = ++size;
// 当数组大小大于等于扩容阈值（数组大小的三分之二）时，进行扩容
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) {
rehash();
}
}

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源码注解也比较清晰，我们注意两点：

扩容后数组大小是原来数组的两倍，下一次的扩容阈值为数组长度的三分之二；
扩容时是没有线程安全问题的，因为 ThreadLocalMap 是线程的一个属性，一个线程同一时刻只能对 ThreadLocalMap 进行操作，因为同一个线程执行业务逻辑必然是串行的，那么操作 ThreadLocalMap 必然也是串行的。

ThreadLocalMap 扩容策略的语言描述：
在 ThreadLocalMap.set() 方法的最后，如果执行完启发式清理工作后，未清理到任何 Entry，且当前数组中 Entry 的数量已经达到了扩容阈值（数组长度的三分之二），就开始执行 rehash() 逻辑。
rehash() 首先是会进行探测式清理工作，从数组的起始位置开始遍历，查找 key 为 null 的 Entry 并清理。清理完成之后如果 ThreadLocal 的个数仍然大于等于扩容阈值的四分之三，那么就进行扩容操作，扩容为原来数组长度的两倍，并且设置下一次的扩容阈值为新数组长度的三分之二。
InheritableThreadLocal 与继承性

通过 ThreadLocal 创建的线程变量，其子线程是无法继承的。
也就是说你在线程中通过 ThreadLocal 创建了线程变量 V，而后该线程创建了子线程，你在子线程中是无法通过 ThreadLocal 来访问父线程的线程变量 V 的。

// get 的关键方法,被 get() 方法调用
// 得到当前 thradLocal 对应的值，值的类型是由 thradLocal 的泛型决定的
// 首先尝试根据 hashcode 取模数组大小-1 = 索引位置 i 寻找，找不到的话，自旋把 i+1，直到找到
private ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = table[i];
// e 不为空，并且 e 的 ThreadLocal 的内存地址和 key 相同，直接返回，否则就是没有找到，继续寻找
if (e != null && e.get() == key) {
return e;
} else {
// 这个取数据的逻辑，是因为 set 时数组索引位置冲突造成的
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
}
// 自旋 i+1，直到找到为止
private ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e) {
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
while (e != null) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
// 内存地址一样，表示找到了
if (k == key) {
return e;
}
// 删除不再使用的 Entry，避免内存泄漏
if (k == null) {
expungeStaleEntry(i);
} else {
// 继续使索引位置 + 1
i = nextIndex(i, len);
}
e = tab[i];
}
return null;
}

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如果你需要子线程继承父线程的线程变量，那该怎么办呢？
JDK 的 InheritableThreadLocal 类可以完成父线程到子线程的值传递。
InheritableThreadLocal 是 ThreadLocal 子类，所以用法和 ThreadLocal 相同。
使用时，改为 ThreadLocal threadLocal = new InheritableThreadLocal(); 即可。
InheritableThreadLocal 在创建子线程的时候（初始化线程时），在 Thread#init() 方法中拷贝父线程中本地变量的值到子线程的本地变量中，子线程就拥有了和父线程一样的本地变量。
下面是 Thread#init() 中，和 ThreadLocal 相关的代码，我们一起来看下这个功能是怎么实现的

// set() 的部分源码
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold){
rehash();
}
// 称为启发式清理，从指定下标开始遍历
private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
boolean removed = false;
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
do {
i = nextIndex(i, len);
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
if (e != null && e.get() == null) {
n = len;
removed = true;
i = expungeStaleEntry(i);
}
} while ( (n >>>= 1) != 0);
return removed;
}
private void rehash() {
// 探测式清理，从数组的下标为 0 处开始遍历，清理所有无用的 Entry
expungeStaleEntries();
// 扩容使用较低的阈值，以避免迟滞
// Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
if (size >= threshold - threshold / 4)
resize();
}

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不过，完全不建议你在线程池中使用 InheritableThreadLocal，不仅仅是因为它具有 ThreadLocal 相同的缺点：可能导致内存泄露，更重要的原因是：线程池中线程的创建是动态的，很容易导致继承关系错乱，如果你的业务逻辑依赖 InheritableThreadLocal，那么很可能导致业务逻辑计算错误，而这个错误往往比内存泄露更要命。
同时，如果父线程的本地变量是引用数据类型的话，父子线程共享相同的数据，存在线程安全问题，甚至导致业务逻辑计算错误。要想做到父子线程的本地变量互不影响，则需要继承 InheritableThreadLocal 并重写 childValue() 方法实现对象的深拷贝。
并且对于使用线程池等会池化复用线程的执行组件的情况，线程由线程池创建好，并且线程是池化起来反复使用的；这时父子线程关系的 ThreadLocal 值传递已经没有意义，应用需要的实际上是把任务提交给线程池时的ThreadLocal 值传递到任务执行时。阿里开源的 TransmittableThreadLocal 类继承并加强 InheritableThreadLocal 类，解决上述的问题。
TransmittableThreadLocal

TransmittableThreadLocal 的 GitHub：https://github.com/alibaba/transmittable-thread-local
TransmittableThreadLocal 的 API 文档：https://alibaba.github.io/transmittable-thread-local
TransmittableThreadLocal 是阿里开源的一个增强 InheritableThreadLocal 的库。
TransmittableThreadLocal 的功能：在使用线程池等会池化复用线程的执行组件情况下，提供 ThreadLocal 值的传递功能，解决异步执行时上下文传递的问题。
TTL 的使用及注意事项

TTL 的 User Guide：https://github.com/alibaba/transmittable-thread-local#-user-guide
TransmittableThreadLocal 有三种使用方式（具体使用见 GitHub 的 README）：

修饰 Runnable 或 Callable
修饰线程池
使用 Java Agent 来修饰 JDK 线程池实现类

注意事项：
使用 TtlRunnable 和 TtlCallable 来修饰传入线程池的 Runnable 和 Callable 时，即使是同一个 Runnable 任务多次提交到线程池时，每次提交时都需要通过修饰操作（即TtlRunnable.get(task)）以抓取这次提交时的 TransmittableThreadLocal 上下文的值；即如果同一个任务下一次提交时不执行修饰而仍然使用上一次的 TtlRunnable，则提交的任务运行时会是之前修饰操作所抓取的上下文。
修饰线程池其实本质上也是修饰 Runnable，只是将这个逻辑移到了 ExecutorServiceTtlWrapper.submit() 方法内，对所有提交的 Runnable 进行修饰。

// 扩容
private void resize() {
// 拿出旧的数组
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] oldTab = table;
int oldLen = oldTab.length;
// 新数组的大小为老数组的两倍
int newLen = oldLen * 2;
// 初始化新数组
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] newTab = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[newLen];
int count = 0;
// 老数组的值拷贝到新数组上
for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = oldTab[j];
if (e != null) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == null) {
e.value = null; // Help the GC
} else {
// 计算 ThreadLocal 在新数组中的位置
int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
// 如果索引 h 的位置值不为空，往后+1，直到找到值为空的索引位置
while (newTab[h] != null)
h = nextIndex(h, newLen);
// 给新数组赋值
newTab[h] = e;
count++;
}
}
}
// 给新数组初始化下次扩容阈值，为数组长度的三分之二
setThreshold(newLen);
size = count;
table = newTab;
}

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TTL 的原理

TTL 做的是，使用装饰器模式装饰 Runnable 等任务，将原本与 Thread 绑定的线程变量，缓存一份到 TtlRunnable 对象中，每次调用任务的 run() 前后进行 set() 和还原数据。
TTL 的需求场景

需求场景说明
总结

使用 ThreadLocal 库友好地解决了线程本地存储的问题，但是它还存在父子线程值传递丢失的问题，于是 JDK 又引入了 InheritableThreadLocal 对象。
InheritableThreadLocal 的出现又引出了下一个问题，那就是涉及到线程池等复用线程场景时，还是会存在变量复制混乱的缺陷。阿里巴巴提供了解决方案，用 TransmittableThreadLocal 来增强 InheritableThreadLocal 对象。
参考资料

30 | 线程本地存储模式：没有共享，就没有伤害-极客时间 (geekbang.org)
ThreadLocal原理分析及内存泄漏演示-极客时间 (geekbang.org)
ThreadLocal如何在父子线程及线程池中传递？-极客时间 (geekbang.org)
https://github.com/alibaba/transmittable-thread-local

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