保姆级教学，22张图揭开ThreadLocal

前言

图解方式来通关ThreadLocal，同时希望你们有一定的ＪＶＭ 基础，这样食用起来会更香。

相信大伙对 ThreadLocal 并不陌生，工作中常用，同时也是面试高频题，但是大部分人对 ThreadLocal 的理解可能只是「线程的本地变量，Map结构」，看完本文让大伙真正理解ThreadLocal，给大伙工作带来帮助，也让面试有更多的谈资。

内容大纲

Java对象引用级别

在聊 ThreadLocal 前，先做前置知识铺垫，谈谈Java对象引用级别。

为了使程序能更灵活地控制对象生命周期，从 JDK1.2 版本开始，JDK把对象的引用级别由高到低分为强引用、软引用、弱引用、虚引用四种级别。

强引用 StrongReference

强引用是我们最常见的对象，它属于不可回收资源，垃圾回收器（后面简称G C）绝对不会回收它，即使是内存不足，J V M宁愿抛出 OutOfMemoryErrorM 异常，使程序终止，也不会来回收强引用对象。

软引用 SoftReference

如果对象是软引用，那它的性质属于可有可无，因为内存空间充足的情况下，G C不会回收它，但是内存空间紧张，G C发现它仅有软引用，就会回收该对象，所以软引用对象适合作为内存敏感的缓存对象。

只有对象仅被 SoftReference 引用，它才是软引用级别对象，因为对象可以在多处被引用，所以 SoftReference 引用的对象，它可能在其他处被强引用了。

弱引用 WeakReference

弱引用对象相对软引用对象具有更短暂的生命周期，只要 G C 发现它仅有弱引用，不管内存空间是否充足，都会回收它，不过 G C 是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些仅有弱引用的对象。

只有对象仅被 WeakReference 引用，它才是弱引用级别对象，因为对象可以在多处被引用，所以 WeakReference 引用的对象，它可能在其他处被强引用了。

虚引用 PhantomReference

顾名思义，虚引用形同虚设，与其他几种引用不同，虚引用不会决定对象的生命周期。

如果一个对象仅有虚引用，那它就和没有任何引用一样，任何时候都可能被 G C 回收。

读到这里会不会感觉虚引用和弱引用没区别？它们的区别如下

• SoftReference、WeakReference引用的对象没被回收时，可以使用get方法获取真实对象地址
• PhantomReference使用get方法永远返回null

简单说就是「无法通过虚引用来获取对象的真实地址」

小结

Java中SoftReference、WeakReference、PhantomReference，可以理解为对象引用级别包装类，在项目中使用对应的包装类，赋予对象引用级别。

虚引用图中，出现了ReferenceQueue（引用队列），引用队列是配合对象引用级别包装类（SoftReference、WeakReference、PhantomReference）使用，当对象引用级别包装类所指向的对象，被垃圾回收后，该对象引用级别包装类被追加到引用队列，因此可以通过引用队列做 G C 相关统计或额外数据清理等操作。

ThreadLocal

ThreadLocal很多地方叫线程本地变量，也有些地方叫线程本地存储，其实意思差不多。ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本，每个线程可以访问自己内部的副本变量。

ThreadLocal是什么

Thread类声明了成员变量threadLocals，threadLocals才是真正的线程本地变量，因此每个 Thread 都有自己的线程本地变量，所以线程本地变量拥有线程隔离特性，也就是天生的线程安全。

从上图可以看到 threadLocals 成员变量类是 ThreadLocal.ThreadLocalMap，即是 ThreadLocal 提供的内部类，因此 Thread 线程本地变量的创建、新增、获取、删除实现核心，必然是围绕 threadLocals，所以开发者也是围绕 threadLocals 实现功能，为了后续重复使用，还会对代码实现进行封装复用，而 ThreadLocal 就是线程本地变量工具类，由 J D K 提供，线程本地变量的功能都已经实现好了，开箱即用，造福广大开发人员。

ThreadLocal常用的方法

• set：为当前线程设置变量，当前ThreadLocal作为索引
• get：获取当前线程变量，当前ThreadLocal作为索引
• initialValue（钩子方法需要子类实现）：赖加载形式初始化线程本地变量，执行get时，发现线程本地变量为null，就会执行initialValue的内容
• remove：清空当前线程的ThreadLocal索引与映射的元素

一个 Threa可以拥有多个 ThreadLocal键值对（存储在ThreadLocalMap结构），又因为 ThreadLocalMap 依赖当前Thread，Thread销毁时 ThreadLocalMap 也会随之销毁，所以 ThreadLocalMap 的生命周期与 Thread 绑定。

现在总结出「本地线程变量的作用域，属于当前线程整个范围，一个线程可以跨越多个方法使用本地线程变量」，当你希望某些变量在某 Thread 的多个方法中共享 并保证线程安全，那就大胆的使用ThreadLocal（ps：一定要想清楚，是某个变量被Thread生命周期内多个方法共享，还是多个Thread共享这个变量！）。

ThreadLocal源码

先来看看User类实现的线程本地变量代码

方法也不多，分别是initialValue、get、set、remove，接下来这些方法源码进行解析。

ThreadLocalMap结构

为了后面的源码解析体验更好，有必要介绍下ThreadLocalMap，顾名思义，它是 Map 结构，但是本文主要内容不是Map，所以上一图，快速过一下这块内容。

通过上图，相信大伙对 ThreadLocalMap 结构已经非常清晰，不知有没有细心的小伙伴发现 ThreadLocal 竟被弱引用持有？

为什么ThreadLocal会被弱引用？这块疑惑后面会给大伙安排的明明白白，最后上一张 ThreadLocalMap 源码图。

get 获取变量

步骤如下

1. 获取当前线程
2. 获取当前线程的本地变量
3. 线程本地变量没有被创建，执行setInitialValue方法进行初始化，并返回value值
4. 线程本地变量存在，ThreadLocal计算成索引从 本地线程变量 获取Entry，如果Entry为null，执行setInitialValue方法进行初始化，并返回value值，否则通过Entry获取value返回

initialValue方法

步骤如下

1. 通过get方法触发
2. 执行初始化，获取到value
3. 获取当前线程
4. 获取当前线程本地变量
5. 如果当前线程本地变量存在 ，ThreadLocal计算成索引设置映射的value，否则创建线程本地变量再做后续的设置操作
6. 返回value值

set 设置变量

步骤如下

1. 获取当前线程
2. 获取线程本地变量
3. 本地变量不为空，当前ThreadLocal为索引设置映射的value，否则创建线程本地变量再做后续的设置操作

remove 清除变量

步骤如下

1. 获取Entry数组
2. 当前ThreadLocal计算出索引
3. 根据索引获取Entry元素（若是第一次没有命中，就循环直到null）
4. 清除Entry元素

小结

源码十分简单，核心就三样ThreadLocal线程本地变量工具类（同时作为索引）、Entry基本元素（由弱引用包装类ThreadLocal与value组成），Entry数组容器，到这里流程很清晰了，ThreadLocal计算出数组索引，用 ThreadLocal 与 value 构建出 Entry 元素，最终放入 Entry 容器中，相信大伙都能写出来。

为何采用弱引用

为什么 Entry 中对 ThreadLocal 使用弱引用？反问一句，如果使用强引用，会发生什么事情？

上图的代码作用仅仅只是是为了让大伙去理解为什么使用弱引用，一般开发中不会出现这样的代码（真出现了，这程序员怕是要拉去祭天）。

回到正题，我们快速对代码进行解析，首先 ThreadContextTest 持有私有的静态变量 ThreadLocal，且 ThreadContextTest 禁止实例化，接着执行静态方法 run 触发静态块为 ThreadLocal 设置User变量 并消除 ThreadLocal 强引用，此时当前线程的本地变量拥有了Entry元素。

问题来了，要如何获取到 Entry 元素，按正常流程，ThreadLocal执行 get 方法，get会使用当前 ThreadLocal 计算出索引，最终获取到Entry元素，可是现在的问题如同下图。

我们不知道 key 是什么，如何去获取映射的value，同样的道理，都没有入口去获取到ThreadContextTest.ThreadLoca，自然没办法获取映射的Entry元素。

设计中采用Map结构存储数据，却不能通过key去获取value，这设计明显不合理，又因key、value值是强引用，导致 G C 无法回收，造成内存溢出。

所以针对这种不合理的设计场景 J D K 做了优化，对 Entry 中的 ThreadLocal 使用弱引用，当 G C 发现它仅有弱引用的时候，会进行回收。

remove背后的意义

还没结束，上面留了个小尾巴，大伙都知道 Entry 中对 ThreadLocal 使用弱引用，但value是强引用，如果出现上面提到的不合理场景，value值无法清理，最终内存溢出。

其实value作为强引用设计属于合理，如果用软或弱引用，就出大问题了，程序跑着跑着突然get到了一个null，估计都得骂娘了，所以为解决内存溢出问题 J D K提供remove方法，使开发人员可以选择手动清理整个Entry元素，防止内存溢出。

还记的之前说过吗？线程本地变量的生命周期与线程绑定，一般线程的生命周期比较短，线程结束时，线程本地变量自然就销毁了，软引用与 remove 会不会有点多余了？

业务瞬息万变，大部分情况来说线程的生命周期比较短，但也业务场景会导致线程的生命周期较长，甚至可能线程无限循环执行，这些是你没办法预料到的，数量一旦上来很容易内存溢出，所以个人建议使用完之后及时清理ThreadLocal，理由如下

• 生命周期较长的线程场景
• 无限循环线程的场景
• 线程池场景（因为线程池可以复用线程，而且公司使用的框架可能会定制化线程池，你不能保证他会在线程池内帮你remove）

唠叨唠叨

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