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什么是ThreadLocal

这期内容当中小编将会给大家带来有关什么是ThreadLocal，文章内容丰富且以专业的角度为大家分析和叙述，阅读完这篇文章希望大家可以有所收获。

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一 引言

ThreadLocal的官方API解释为：

* This class provides thread-local variables.  These variables differ from * their normal counterparts in that each thread that accesses one (via its * {@code get} or {@code set} method) has its own, independently initialized * copy of the variable.  {@code ThreadLocal} instances are typically private * static fields in classes that wish to associate state with a thread (e.g., * a user ID or Transaction ID).

这个类提供线程局部变量。这些变量与正常的变量不同，每个线程访问一个(通过它的get或set方法)都有它自己的、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，希望将状态与线程关联(例如，用户ID或事务ID)。

1、当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，         所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本 2、使用ThreadLocal通常是定义为 private static ，更好是 private final static 3、Synchronized用于线程间的数据共享，而ThreadLocal则用于线程间的数据隔离 4、ThreadLocal类封装了getMap()、Set()、Get()、Remove()4个核心方法

从表面上来看ThreadLocal内部是封闭了一个Map数组，来实现对象的线程封闭，map的key就是当前的线程id，value就是我们要存储的对象。

实际上是ThreadLocal的静态内部类ThreadLocalMap为每个Thread都维护了一个数组table，hreadLocal确定了一个数组下标，而这个下标就是value存储的对应位置，继承自弱引用，用来保存ThreadLocal和Value之间的对应关系，之所以用弱引用，是为了解决线程与ThreadLocal之间的强绑定关系，会导致如果线程没有被回收，则GC便一直无法回收这部分内容。

二 源码剖析

2.1 ThreadLocal

//set方法  public void set(T value) {      //获取当前线程      Thread t = Thread.currentThread();      //实际存储的数据结构类型      ThreadLocalMap map = getMap(t);      //判断map是否为空，如果有就set当前对象,没有创建一个ThreadLocalMap      //并且将其中的值放入创建对象中      if (map != null)          map.set(this, value);      else          createMap(t, value);  }   //get方法   public T get() {      //获取当前线程      Thread t = Thread.currentThread();      //实际存储的数据结构类型      ThreadLocalMap map = getMap(t);      if (map != null) {          //传入了当前线程的ID，到底层Map Entry里面去取          ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);          if (e != null) {              @SuppressWarnings("unchecked")              T result = (T)e.value;              return result;          }      }      return setInitialValue();  }      //remove方法   public void remove() {       ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());       if (m != null)           m.remove(this);//调用ThreadLocalMap删除变量   }      //ThreadLocalMap中getEntry方法    private Entry getEntry(ThreadLocal key) {          int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);          Entry e = table[i];          if (e != null && e.get() == key)              return e;          else              return getEntryAfterMiss(key, i, e);      }   //getMap()方法 ThreadLocalMap getMap(Thread t) {  //Thread中维护了一个ThreadLocalMap      return t.threadLocals;  }   //setInitialValue方法  private T setInitialValue() {      T value = initialValue();      Thread t = Thread.currentThread();      ThreadLocalMap map = getMap(t);      if (map != null)          map.set(this, value);      else          createMap(t, value);      return value;  }   //createMap()方法 void createMap(Thread t, T firstValue) { //实例化一个新的ThreadLocalMap，并赋值给线程的成员变量threadLocals      t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);  }

从上面源码中我们看到不管是 set() get() remove()  他们都是操作ThreadLocalMap这个静态内部类的，每一个新的线程Thread都会实例化一个ThreadLocalMap并赋值给成员变量threadLocals，使用时若已经存在threadLocals则直接使用已经存在的对象

ThreadLocal.get()

  • 获取当前线程对应的ThreadLocalMap

  • 如果当前ThreadLocal对象对应的Entry还存在，并且返回对应的值

  • 如果获取到的ThreadLocalMap为null，则证明还没有初始化，就调用setInitialValue()方法

ThreadLocal.set()

  • 获取当前线程，根据当前线程获取对应的ThreadLocalMap

  • 如果对应的ThreadLocalMap不为null，则调用set方法保存对应关系

  • 如果为null，创建一个并保存k-v关系

ThreadLocal.remove()

  • 获取当前线程，根据当前线程获取对应的ThreadLocalMap

  • 如果对应的ThreadLocalMap不为null，则调用ThreadLocalMap中的remove方法，根据key.threadLocalHashCode  & (len-1)获取当前下标并移除

  • 成功后调用expungeStaleEntry进行一次连续段清理

什么是ThreadLocal

2.2 ThreadLocalMap

ThreadLocalMap是ThreadLocal的一个内部类

static class ThreadLocalMap {           /**              * 自定义一个Entry类，并继承自弱引用          * 同时让ThreadLocal和储值形成key-value的关系          * 之所以用弱引用，是为了解决线程与ThreadLocal之间的强绑定关系          * 会导致如果线程没有被回收，则GC便一直无法回收这部分内容          *           */         static class Entry extends WeakReference> {             /** The value associated with this ThreadLocal. */             Object value;              Entry(ThreadLocal k, Object v) {                 super(k);                 value = v;             }         }          /**          * Entry数组的初始化大小（初始化长度16，后续每次都是2倍扩容）          */         private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;          /**          * 根据需要调整大小          * 长度必须是2的N次幂          */         private Entry[] table;          /**          * The number of entries in the table.          * table中的个数          */         private int size = 0;          /**          * The next size value at which to resize.          * 下一个要调整大小的大小值（扩容的阈值）          */         private int threshold; // Default to 0          /**          * Set the resize threshold to maintain at worst a 2/3 load factor.          * 根据长度计算扩容阈值          * 保持一定的负债系数          */         private void setThreshold(int len) {             threshold = len * 2 / 3;         }          /**          * Increment i modulo len          * nextIndex：从字面意思我们可以看出来就是获取下一个索引          * 获取下一个索引，超出长度则返回          */         private static int nextIndex(int i, int len) {             return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);         }          /**          * Decrement i modulo len.          * 返回上一个索引，如果-1为负数，返回长度-1的索引          */         private static int prevIndex(int i, int len) {             return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);         }          /**          * ThreadLocalMap构造方法          * ThreadLocalMaps是延迟构造的，因此只有在至少要放置一个节点时才创建一个          */         ThreadLocalMap(ThreadLocal firstKey, Object firstValue) {             //内部成员数组，INITIAL_CAPACITY值为16的常量             table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];             //通过threadLocalHashCode(HashCode) & （长度-1）的位运算，确定键值对的位置             //位运算，结果与取模相同，计算出需要存放的位置             int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);             // 创建一个新节点保存在table当中             table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);             //设置table元素为1             size = 1;             //根据长度计算扩容阈值             setThreshold(INITIAL_CAPACITY);         }          /**          * 构造一个包含所有可继承ThreadLocals的新映射，只能createInheritedMap调用          * ThreadLocal本身是线程隔离的，一般来说是不会出现数据共享和传递的行为          */         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 key = (ThreadLocal) e.get();                     if (key != null) {                         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++;                     }                 }             }         }          /**          * ThreadLocalMap中getEntry方法          */         private Entry getEntry(ThreadLocal key) {             //通过hashcode确定下标             int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);             Entry e = table[i];             //如果找到则直接返回             if (e != null && e.get() == key)                 return e;             else              // 找不到的话接着从i位置开始向后遍历，基于线性探测法，是有可能在i之后的位置找到的                 return getEntryAfterMiss(key, i, e);         }           /**          * ThreadLocalMap的set方法          */         private void set(ThreadLocal key, Object value) {            //新开一个引用指向table             Entry[] tab = table;             //获取table长度             int len = tab.length;             ////获取索引值,threadLocalHashCode进行一个位运算（取模）得到索引i             int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);             /**             * 遍历tab如果已经存在(key)则更新值(value)             * 如果该key已经被回收失效，则替换该失效的key             **/             //             for (Entry e = tab[i];                  e != null;                  e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {                 ThreadLocal k = e.get();                  if (k == key) {                     e.value = value;                     return;                 }                 //如果 k 为null，则替换当前失效的k所在Entry节点                 if (k == null) {                     replaceStaleEntry(key, value, i);                     return;                 }             }             //如果上面没有遍历成功则创建新值             tab[i] = new Entry(key, value);             // table内元素size自增             int sz = ++size;             //满足条件数组扩容x2             if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)                 rehash();         }          /**          * remove方法          * 将ThreadLocal对象对应的Entry节点从table当中删除          */         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();//将引用设置null，方便GC回收                     expungeStaleEntry(i);//从i的位置开始连续段清理工作                     return;                 }             }         }          /**         * ThreadLocalMap中replaceStaleEntry方法          */         private void replaceStaleEntry(ThreadLocal key, Object value,                                        int staleSlot) {             // 新建一个引用指向table             Entry[] tab = table;             //获取table的长度             int len = tab.length;             Entry e;               // 记录当前失效的节点下标             int slotToExpunge = staleSlot;             /**              * 通过prevIndex(staleSlot, len)可以看出，由staleSlot下标向前扫描              * 查找并记录最前位置value为null的下标              */             for (int i = prevIndex(staleSlot, len);                  (e = tab[i]) != null;                  i = prevIndex(i, len))                 if (e.get() == null)                     slotToExpunge = i;              // nextIndex(staleSlot, len)可以看出，这个是向后扫描             // occurs first             for (int i = nextIndex(staleSlot, len);                  (e = tab[i]) != null;                  i = nextIndex(i, len)) {                  // 获取Entry节点对应的ThreadLocal对象                 ThreadLocal k = e.get();                    //如果和新的key相等的话，就直接赋值给value,替换i和staleSlot的下标                 if (k == key) {                     e.value = value;                      tab[i] = tab[staleSlot];                     tab[staleSlot] = e;                      // 如果之前的元素存在，则开始调用cleanSomeSlots清理                     if (slotToExpunge == staleSlot)                         slotToExpunge = i;                      /**                      *在调用cleanSomeSlots()    清理之前，会调用                      *expungeStaleEntry()从slotToExpunge到table下标所在为                      *null的连续段进行一次清理，返回值就是table为null的下标                      *然后以该下标 len进行一次启发式清理                      * 最终里面的方法实际上还是调用了expungeStaleEntry                       * 可以看出expungeStaleEntry方法是ThreadLocal核心的清理函数                      */                     cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);                     return;                 }                  // If we didn't find stale entry on backward scan, the                 // first stale entry seen while scanning for key is the                 // first still present in the run.                 if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)                     slotToExpunge = i;             }              // 如果在table中没有找到这个key,则直接在当前位置new Entry(key, value)             tab[staleSlot].value = null;             tab[staleSlot] = new Entry(key, value);              // 如果有其他过时的节点正在运行，会将它们进行清除，slotToExpunge会被重新赋值             if (slotToExpunge != staleSlot)                 cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);         }          /**          * expungeStaleEntry() 启发式地清理被回收的Entry          * 有两个地方调用到这个方法          * 1、set方法，在判断是否需要resize之前，会清理并rehash一遍          * 2、替换失效的节点时候，也会进行一次清理         */           private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {             boolean removed = false;             Entry[] tab = table;             int len = tab.length;             do {                 i = nextIndex(i, len);                 Entry e = tab[i];                 //判断如果Entry对象不为空                 if (e != null && e.get() == null) {                     n = len;                     removed = true;                     //调用该方法进行回收,                     //对 i 开始到table所在下标为null的范围内进行一次清理和rehash                     i = expungeStaleEntry(i);                 }             } while ( (n >>>= 1) != 0);             return removed;         }            private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {             Entry[] tab = table;             int len = tab.length;              // expunge entry at staleSlot             tab[staleSlot].value = null;             tab[staleSlot] = null;             size--;              // Rehash until we encounter null             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 {                     int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);                     if (h != i) {                         tab[i] = null;                         while (tab[h] != null)                             h = nextIndex(h, len);                         tab[h] = e;                     }                 }             }             return i;         }            /**          * Re-pack and/or re-size the table. First scan the entire          * table removing stale entries. If this doesn't sufficiently          * shrink the size of the table, double the table size.          */         private void rehash() {             expungeStaleEntries();              // Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis             if (size >= threshold - threshold / 4)                 resize();         }          /**          * 对table进行扩容，因为要保证table的长度是2的幂，所以扩容就扩大2倍          */         private void resize() {         //获取旧table的长度             Entry[] oldTab = table;             int oldLen = oldTab.length;             int newLen = oldLen * 2;             //创建一个长度为旧长度2倍的Entry数组             Entry[] newTab = new Entry[newLen];             //记录插入的有效Entry节点数             int count = 0;               /**              * 从下标0开始，逐个向后遍历插入到新的table当中              * 通过hashcode & len - 1计算下标，如果该位置已经有Entry数组，则通过线性探测向后探测插入              */             for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {                 Entry e = oldTab[j];                 if (e != null) {                     ThreadLocal k = e.get();                     if (k == null) {//如遇到key已经为null，则value设置null，方便GC回收                         e.value = null; // Help the GC                     } else {                         int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);                         while (newTab[h] != null)                             h = nextIndex(h, newLen);                         newTab[h] = e;                         count++;                     }                 }             }             // 重新设置扩容的阈值             setThreshold(newLen);             // 更新size             size = count;              // 指向新的Entry数组             table = newTab;         }       }
ThreadLocalMap.set()
  • key.threadLocalHashCode & (len-1)，将threadLocalHashCode进行一个位运算(取模)得到索引 " i "  ，也就是在table中的下标
  • for循环遍历，如果Entry中的key和我们的需要操作的ThreadLocal的相等，这直接赋值替换
  • 如果拿到的key为null ,则调用replaceStaleEntry()进行替换
  • 如果上面的条件都没有成功满足，直接在计算的下标中创建新值
  • 在进行一次清理之后，调用rehash()下的resize()进行扩容
ThreadLocalMap.expungeStaleEntry()
  • 这是  ThreadLocal 中一个核心的清理方法
  • 为什么需要清理?
  • 在我们 Entry  中，如果有很多节点是已经过时或者回收了，但是在table数组中继续存在，会导致资源浪费
  • 我们在清理节点的同时，也会将后面的Entry节点，重新排序，调整Entry大小，这样我们在取值(get())的时候，可以快速定位资源，加快我们的程序的获取效率
ThreadLocalMap.remove()
  • 我们在使用remove节点的时候，会使用线性探测的方式，找到当前的key
  • 如果当前key一致，调用clear()将引用指向null
  • 从"i"开始的位置进行一次连续段清理
三 案例
目录结构：
什么是ThreadLocal
在这里插入图片描述
HttpFilter.java
package com.lyy.threadlocal.config;  import lombok.extern.slf4j.Slf4j;  import javax.servlet.*; import javax.servlet.http.HttpServletRequest; import java.io.IOException;  @Slf4j public class HttpFilter implements Filter {  //初始化需要做的事情     @Override     public void init(FilterConfig filterConfig) throws ServletException {      }      //核心操作在这个里面     @Override     public void doFilter(ServletRequest servletRequest, ServletResponse servletResponse, FilterChain filterChain) throws IOException, ServletException {         HttpServletRequest request = (HttpServletRequest)servletRequest; //        request.getSession().getAttribute("user");         System.out.println("do filter："+Thread.currentThread().getId()+"："+request.getServletPath());         RequestHolder.add(Thread.currentThread().getId());         //让这个请求完，，同时做下一步处理         filterChain.doFilter(servletRequest,servletResponse);       }      //不再使用的时候做的事情     @Override     public void destroy() {      } }
HttpInterceptor.java
package com.lyy.threadlocal.config;  import org.springframework.web.servlet.handler.HandlerInterceptorAdapter;  import javax.servlet.http.HttpServletRequest; import javax.servlet.http.HttpServletResponse;  public class HttpInterceptor extends HandlerInterceptorAdapter {      //接口处理之前     @Override     public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) throws Exception {         System.out.println("preHandle：");         return true;     }      //接口处理之后     @Override     public void afterCompletion(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler, Exception ex) throws Exception {         RequestHolder.remove();        System.out.println("afterCompletion");          return;     } }
RequestHolder.java
package com.lyy.threadlocal.config;  public class RequestHolder {      private final static ThreadLocal requestHolder = new ThreadLocal<>();//      //提供方法传递数据     public static void add(Long id){         requestHolder.set(id);      }      public static Long getId(){         //传入了当前线程的ID，到底层Map里面去取         return requestHolder.get();     }      //移除变量信息，否则会造成逸出，导致内容永远不会释放掉     public static void remove(){         requestHolder.remove();     } }
ThreadLocalController.java
package com.lyy.threadlocal.controller;  import com.lyy.threadlocal.config.RequestHolder; import org.springframework.stereotype.Controller; import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping; import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseBody;  @Controller @RequestMapping("/thredLocal") public class ThreadLocalController {      @RequestMapping("test")     @ResponseBody     public Long test(){         return RequestHolder.getId();     }  }
ThreadlocalDemoApplication.java
package com.lyy.threadlocal;  import com.lyy.threadlocal.config.HttpFilter; import com.lyy.threadlocal.config.HttpInterceptor; import org.springframework.boot.SpringApplication; import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication; import org.springframework.boot.web.servlet.FilterRegistrationBean; import org.springframework.context.annotation.Bean; import org.springframework.web.servlet.config.annotation.InterceptorRegistry; import org.springframework.web.servlet.config.annotation.WebMvcConfigurerAdapter;  @SpringBootApplication public class ThreadlocalDemoApplication extends WebMvcConfigurerAdapter {      public static void main(String[] args) {         SpringApplication.run(ThreadlocalDemoApplication.class, args);     }      @Bean     public FilterRegistrationBean httpFilter(){         FilterRegistrationBean registrationBean = new FilterRegistrationBean();         registrationBean.setFilter(new HttpFilter());         registrationBean.addUrlPatterns("/thredLocal/*");           return registrationBean;     }       @Override     public void addInterceptors(InterceptorRegistry registry) {         registry.addInterceptor(new HttpInterceptor()).addPathPatterns("/**");     }  }
输入：http://localhost:8080/thredLocal/test
什么是ThreadLocal
后台打印：
do filter：35：/thredLocal/test preHandle： afterCompletion
四 总结
1、ThreadLocal是通过每个线程单独一份存储空间，每个ThreadLocal只能保存一个变量副本。
2、相比于Synchronized，ThreadLocal具有线程隔离的效果，只有在线程内才能获取到对应的值，线程外则不能访问到想要的值，很好的实现了线程封闭。
3、每次使用完ThreadLocal，都调用它的remove()方法，清除数据，避免内存泄漏的风险
4、通过上面的源码分析，我们也可以看到大神在写代码的时候会考虑到整体实现的方方面面，一些逻辑上的处理是真严谨的，我们在看源代码的时候不能只是做了解，也要看到别人实现功能后面的目的。
上述就是小编为大家分享的什么是ThreadLocal了，如果刚好有类似的疑惑，不妨参照上述分析进行理解。如果想知道更多相关知识，欢迎关注创新互联行业资讯频道。
            
            
                        

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