【高并發(fā)】ThreadLocal學會了這些，你也能和面試官扯皮了！

前言

我們都知道，在多線程環(huán)境下訪問同一個共享變量，可能會出現線程安全的問題，為了保證線程安全，我們往往會在訪問這個共享變量的時候加鎖，以達到同步的效果，如下圖所示。

對共享變量加鎖雖然能夠保證線程的安全，但是卻增加了開發(fā)人員對鎖的使用技能，如果鎖使用不當，則會導致死鎖的問題。而ThreadLocal能夠做到在創(chuàng)建變量后，每個線程對變量訪問時訪問的是線程自己的本地變量。

什么是ThreadLocal？

ThreadLocal是JDK提供的，支持線程本地變量。也就是說，如果我們創(chuàng)建了一個ThreadLocal變量，則訪問這個變量的每個線程都會有這個變量的一個本地副本。如果多個線程同時對這個變量進行讀寫操作時，實際上操作的是線程自己本地內存中的變量，從而避免了線程安全的問題。

ThreadLocal使用示例

例如，我們使用ThreadLocal保存并打印相關的變量信息，程序如下所示。

public class ThreadLocalTest {

    private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();

    public static void main(String[] args){
        //創(chuàng)建第一個線程
        Thread threadA = new Thread(()->{
            threadLocal.set("ThreadA：" + Thread.currentThread().getName());
            System.out.println("線程A本地變量中的值為：" + threadLocal.get());
        });
        //創(chuàng)建第二個線程
        Thread threadB = new Thread(()->{
            threadLocal.set("ThreadB：" + Thread.currentThread().getName());
            System.out.println("線程B本地變量中的值為：" + threadLocal.get());
        });
        //啟動線程A和線程B
        threadA.start();
        threadB.start();
    }
}

運行程序，打印的結果信息如下所示。

線程A本地變量中的值為：ThreadA：Thread-0
線程B本地變量中的值為：ThreadB：Thread-1

此時，我們?yōu)榫€程A增加刪除ThreadLocal中的變量的操作，如下所示。

public class ThreadLocalTest {

    private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();

    public static void main(String[] args){
        //創(chuàng)建第一個線程
        Thread threadA = new Thread(()->{
            threadLocal.set("ThreadA：" + Thread.currentThread().getName());
            System.out.println("線程A本地變量中的值為：" + threadLocal.get());
            threadLocal.remove();
            System.out.println("線程A刪除本地變量后ThreadLocal中的值為：" + threadLocal.get());
        });
        //創(chuàng)建第二個線程
        Thread threadB = new Thread(()->{
            threadLocal.set("ThreadB：" + Thread.currentThread().getName());
            System.out.println("線程B本地變量中的值為：" + threadLocal.get());
            System.out.println("線程B沒有刪除本地變量：" + threadLocal.get());
        });
        //啟動線程A和線程B
        threadA.start();
        threadB.start();
    }
}

此時的運行結果如下所示。

線程A本地變量中的值為：ThreadA：Thread-0
線程B本地變量中的值為：ThreadB：Thread-1
線程B沒有刪除本地變量：ThreadB：Thread-1
線程A刪除本地變量后ThreadLocal中的值為：null

通過上述程序我們可以看出，線程A和線程B存儲在ThreadLocal中的變量互不干擾，線程A存儲的變量只能由線程A訪問，線程B存儲的變量只能由線程B訪問。

ThreadLocal原理

首先，我們看下Thread類的源碼，如下所示。

public class Thread implements Runnable {
    /***********省略N行代碼*************/
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
     /***********省略N行代碼*************/
}

由Thread類的源碼可以看出，在ThreadLocal類中存在成員變量threadLocals和inheritableThreadLocals，這兩個成員變量都是ThreadLocalMap類型的變量，而且二者的初始值都為null。只有當前線程第一次調用ThreadLocal的set()方法或者get()方法時才會實例化變量。

這里需要注意的是：每個線程的本地變量不是存放在ThreadLocal實例里面的，而是存放在調用線程的threadLocals變量里面的。也就是說，調用ThreadLocal的set()方法存儲的本地變量是存放在具體線程的內存空間中的，而ThreadLocal類只是提供了set()和get()方法來存儲和讀取本地變量的值，當調用ThreadLocal類的set()方法時，把要存儲的值放入調用線程的threadLocals中存儲起來，當調用ThreadLocal類的get()方法時，從當前線程的threadLocals變量中將存儲的值取出來。

接下來，我們分析下ThreadLocal類的set()、get()和remove()方法的實現邏輯。

set()方法

set()方法的源代碼如下所示。

public void set(T value) {
    //獲取當前線程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //以當前線程為Key，獲取ThreadLocalMap對象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //獲取的ThreadLocalMap對象不為空
    if (map != null)
        //設置value的值
        map.set(this, value);
    else
        //獲取的ThreadLocalMap對象為空，創(chuàng)建Thread類中的threadLocals變量
        createMap(t, value);
}

在set()方法中，首先獲取調用set()方法的線程，接下來，使用當前線程作為Key調用getMap(t)方法來獲取ThreadLocalMap對象，getMap(Thread t)的方法源碼如下所示。

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

可以看到，getMap(Thread t)方法獲取的是線程變量自身的threadLocals成員變量。

在set()方法中，如果調用getMap(t)方法返回的對象不為空，則把value值設置到Thread類的threadLocals成員變量中，而傳遞的key為當前ThreadLocal的this對象，value就是通過set()方法傳遞的值。

如果調用getMap(t)方法返回的對象為空，則程序調用createMap(t, value)方法來實例化Thread類的threadLocals成員變量。

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

也就是創(chuàng)建當前線程的threadLocals變量。

get()方法

get()方法的源代碼如下所示。

public T get() {
    //獲取當前線程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //獲取當前線程的threadLocals成員變量
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //獲取的threadLocals變量不為空
    if (map != null) {
        //返回本地變量對應的值
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    //初始化threadLocals成員變量的值
    return setInitialValue();
}

通過當前線程來獲取threadLocals成員變量，如果threadLocals成員變量不為空，則直接返回當前線程綁定的本地變量，否則調用setInitialValue()方法初始化threadLocals成員變量的值。

private T setInitialValue() {
    //調用初始化Value的方法
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    //根據當前線程獲取threadLocals成員變量
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        //threadLocals不為空，則設置value值
        map.set(this, value);
    else
        //threadLocals為空,創(chuàng)建threadLocals變量
        createMap(t, value);
    return value;
}

其中，initialValue()方法的源碼如下所示。

protected T initialValue() {
    return null;
}

通過initialValue()方法的源碼可以看出，這個方法可以由子類覆寫，在ThreadLocal類中，這個方法直接返回null。

remove()方法

remove()方法的源代碼如下所示。

public void remove() {
    //根據當前線程獲取threadLocals成員變量
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        //threadLocals成員變量不為空，則移除value值
        m.remove(this);
}

remove()方法的實現比較簡單，首先根據當前線程獲取threadLocals成員變量，不為空，則直接移除value的值。

注意：如果調用線程一致不終止，則本地變量會一直存放在調用線程的threadLocals成員變量中，所以，如果不需要使用本地變量時，可以通過調用ThreadLocal的remove()方法，將本地變量從當前線程的threadLocals成員變量中刪除，以免出現內存溢出的問題。

ThreadLocal變量不具有傳遞性

使用ThreadLocal存儲本地變量不具有傳遞性，也就是說，同一個ThreadLocal在父線程中設置值后，在子線程中是無法獲取到這個值的，這個現象說明ThreadLocal中存儲的本地變量不具有傳遞性。

接下來，我們來看一段代碼，如下所示。

public class ThreadLocalTest {

    private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();

    public static void main(String[] args){
        //在主線程中設置值
        threadLocal.set("ThreadLocalTest");
        //在子線程中獲取值
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("子線程獲取值：" + threadLocal.get());
            }
        });
        //啟動子線程
        thread.start();
        //在主線程中獲取值
        System.out.println("主線程獲取值：" + threadLocal.get());
    }
}

運行這段代碼輸出的結果信息如下所示。

主線程獲取值：ThreadLocalTest
子線程獲取值：null

通過上述程序，我們可以看出在主線程中向ThreadLocal設置值后，在子線程中是無法獲取到這個值的。那有沒有辦法在子線程中獲取到主線程設置的值呢？此時，我們可以使用InheritableThreadLocal來解決這個問題。

InheritableThreadLocal使用示例

InheritableThreadLocal類繼承自ThreadLocal類，它能夠讓子線程訪問到在父線程中設置的本地變量的值，例如，我們將ThreadLocalTest類中的threadLocal靜態(tài)變量改寫成InheritableThreadLocal類的實例，如下所示。

public class ThreadLocalTest {

    private static ThreadLocal<String> threadLocal = new InheritableThreadLocal<String>();

    public static void main(String[] args){
        //在主線程中設置值
        threadLocal.set("ThreadLocalTest");
        //在子線程中獲取值
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("子線程獲取值：" + threadLocal.get());
            }
        });
        //啟動子線程
        thread.start();
        //在主線程中獲取值
        System.out.println("主線程獲取值：" + threadLocal.get());
    }
}

此時，運行程序輸出的結果信息如下所示。

主線程獲取值：ThreadLocalTest
子線程獲取值：ThreadLocalTest

可以看到，使用InheritableThreadLocal類存儲本地變量時，子線程能夠獲取到父線程中設置的本地變量。

InheritableThreadLocal原理

首先，我們來看下InheritableThreadLocal類的源碼，如下所示。

public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
    protected T childValue(T parentValue) {
        return parentValue;
    }

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

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

由InheritableThreadLocal類的源代碼可知，InheritableThreadLocal類繼承自ThreadLocal類，并且重寫了ThreadLocal類的childValue()方法、getMap()方法和createMap()方法。也就是說，當調用ThreadLocal的set()方法時，創(chuàng)建的是當前Thread線程的inheritableThreadLocals成員變量而不再是threadLocals成員變量。

這里，我們需要思考一個問題：InheritableThreadLocal類的childValue()方法是何時被調用的呢？這就需要我們來看下Thread類的構造方法了，如下所示。

public Thread() {
     init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
 }

public Thread(Runnable target) {
    init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}

Thread(Runnable target, AccessControlContext acc) {
    init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0, acc, false);
}

public Thread(ThreadGroup group, Runnable target) {
    init(group, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}

public Thread(String name) {
    init(null, null, name, 0);
}

public Thread(ThreadGroup group, String name) {
    init(group, null, name, 0);
}

public Thread(Runnable target, String name) {
    init(null, target, name, 0);
}

public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) {
    init(group, target, name, 0);
}

public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name,
              long stackSize) {
    init(group, target, name, stackSize);
}

可以看到，Thread類的構造方法最終調用的是init()方法，那我們就來看下init()方法，如下所示。

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
       /************省略部分源碼************/
        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
        /* Stash the specified stack size in case the VM cares */
        this.stackSize = stackSize;

        /* Set thread ID */
        tid = nextThreadID();
    }

可以看到，在init()方法中會判斷傳遞的inheritThreadLocals變量是否為true，同時父線程中的inheritableThreadLocals是否為null，如果傳遞的inheritThreadLocals變量為true，同時，父線程中的inheritableThreadLocals不為null，則調用ThreadLocal類的createInheritedMap()方法。

static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) {
    return new ThreadLocalMap(parentMap);
}

在createInheritedMap()中，使用父線程的inheritableThreadLocals變量作為參數創(chuàng)建新的ThreadLocalMap對象。然后在Thread類的init()方法中會將這個ThreadLocalMap對象賦值給子線程的inheritableThreadLocals成員變量。

接下來，我們來看看ThreadLocalMap的構造函數都干了啥，如下所示。

private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
    Entry[] parentTable = parentMap.table;
    int len = parentTable.length;
    setThreshold(len);
    table = new Entry[len];

    for (int j = 0; j < len; j++) {
        Entry e = parentTable[j];
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get();
            if (key != null) {
                //調用重寫的childValue方法
                Object value = key.childValue(e.value);
                Entry c = new Entry(key, value);
                int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
                while (table[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);
                table[h] = c;
                size++;
            }
        }
    }
}

在ThreadLocalMap的構造函數中，調用了InheritableThreadLocal類重寫的childValue()方法。而InheritableThreadLocal類通過重寫getMap()方法和createMap()方法，讓本地變量保存到了Thread線程的inheritableThreadLocals變量中，線程通過InheritableThreadLocal類的set()方法和get()方法設置變量時，就會創(chuàng)建當前線程的inheritableThreadLocals變量。此時，如果父線程創(chuàng)建子線程，在Thread類的構造函數中會把父線程中的inheritableThreadLocals變量里面的本地變量復制一份保存到子線程的inheritableThreadLocals變量中。

最后，附上并發(fā)編程需要掌握的核心技能知識圖，祝大家在學習并發(fā)編程時，少走彎路。