Java面试必问:ThreadLocal终极篇

Java面试必问:ThreadLocal终极篇

01 前言

在面试环节中,考察"ThreadLocal"也是面试官的家常便饭,所以对它理解透彻,是非常有必要的.

有些面试官会开门见山的提问:

  • “知道ThreadLocal吗?”
  • “讲讲你对ThreadLocal的理解”

当然了,也有面试官会慢慢引导到这个话题上,比如提问“在多线程环境下,如何防止自己的变量被其它线程篡改”,将主动权交给你自己,剩下的靠自己发挥。

那么ThreadLocal可以做什么,在了解它的应用场景之前,我们先看看它的实现原理,只有知道了实现原理,才好判断它是否符合自己的业务场景。

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02 ThreadLocal是什么

首先,它是一个数据结构,有点像HashMap,可以保存"key : value"键值对,但ThreadLocal只能保存一个,并且各个线程的数据互不干扰。

ThreadLocal<String> localName = new ThreadLocal();
localName.set("小狼");
String name = localName.get();

在线程1中初始化了一个ThreadLocal对象localName,并通过set方法,保存了一个值小狼,同时在线程1中通过localName.get()可以拿到之前设置的值,但是如果在线程2中,拿到的将是一个null。

这是为什么,如何实现?不过之前也说了,ThreadLocal保证了各个线程的数据互不干扰。
看看set(T value)get()方法的源码

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

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();
}

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

可以发现,每个线程中都有一个ThreadLocalMap数据结构,当执行set方法时,其值是保存在当前线程的threadLocals变量中,当执行set方法中,是从当前线程的threadLocals变量获取。

所以在线程1中set的值,对线程2来说是摸不到的,而且在线程2中重新set的话,也不会影响到线程1中的值,保证了线程之间不会相互干扰。

那每个线程中的ThreadLoalMap究竟是什么?

03 ThreadLoalMap

本文分析的是1.7的源码。

从名字上看,可以猜到它也是一个类似HashMap的数据结构,但是在ThreadLocal中,并没实现Map接口。

在ThreadLoalMap中,也是初始化一个大小16的Entry数组,Entry对象用来保存每一个key-value键值对,只不过这里的key永远都是ThreadLocal对象,是不是很神奇,通过ThreadLocal对象的set方法,结果把ThreadLocal对象自己当做key,放进了ThreadLoalMap中。


这里需要注意的是,ThreadLoalMap的Entry是继承WeakReference,和HashMap很大的区别是,Entry中没有next字段,所以就不存在链表的情况了。

04 hash冲突

没有链表结构,那发生hash冲突了怎么办?

先看看ThreadLoalMap中插入一个key-value的实现

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();
}

每个ThreadLocal对象都有一个hash值threadLocalHashCode,每初始化一个ThreadLocal对象,hash值就增加一个固定的大小0x61c88647

在插入过程中,根据ThreadLocal对象的hash值,定位到table中的位置i,过程如下:

  • 如果当前位置是空的,那么正好,就初始化一个Entry对象放在位置i上;
  • 不巧,位置i已经有Entry对象了,如果这个Entry对象的key正好是即将设置的key,那么重新设置Entry中的value;
  • 很不巧,位置i的Entry对象,和即将设置的key没关系,那么只能找下一个空位置;

这样的话,在get的时候,也会根据ThreadLocal对象的hash值,定位到table中的位置,然后判断该位置Entry对象中的key是否和get的key一致,如果不一致,就判断下一个位置
可以发现,set和get如果冲突严重的话,效率很低,因为ThreadLoalMap是Thread的一个属性,所以即使在自己的代码中控制了设置的元素个数,但还是不能控制其它代码的行为。

05 内存泄露

ThreadLocal可能导致内存泄漏,为什么? 先看看Entry的实现:

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

通过之前的分析已经知道,当使用ThreadLocal保存一个value时,会在ThreadLocalMap中的数组插入一个Entry对象,按理说key-value都应该以强引用保存在Entry对象中,但在ThreadLocalMap的实现中,key被保存到了WeakReference对象中。

这就导致了一个问题,ThreadLocal在没有外部强引用时,发生GC时会被回收,如果创建ThreadLocal的线程一直持续运行,那么这个Entry对象中的value就有可能一直得不到回收,发生内存泄露。

5.1 如何避免内存泄露

既然已经发现有内存泄露的隐患,自然有应对的策略,在调用ThreadLocal的get()、set()可能会清除ThreadLocalMap中key为null的Entry对象,这样对应的value就没有GC Roots可达了,下次GC的时候就可以被回收,当然如果调用remove方法,肯定会删除对应的Entry对象。

如果使用ThreadLocal的set方法之后,没有显示的调用remove方法,就有可能发生内存泄露,所以养成良好的编程习惯十分重要,使用完ThreadLocal之后,记得调用remove方法。

ThreadLocal<String> localName = new ThreadLocal();
try {
    localName.set("小狼");
    // 其它业务逻辑
} finally {
    localName.remove();
}

原文链接:juejin.im/post/5a64a581

发布于 2019-09-27

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