原创 泽泽

面试官: 有如下场景:在多线程并发情况下,有一个共享变量,不同线程设置不同值后,各线程只想获取自己设置的值,如何实现?

小小白: 使用ThreadLocal,通过ThreadLocal实例对象的set方法设置各线程自己的值,通过ThreadLocal实例对象的get方法获取各线程自己设置的值。

面试官: 写一下简单的实现代码?

小小白: 噼里啪啦写了如下代码。

public static void main(String[] args) {

final ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
threadLocal.set("hello");
System.out.println("main thread:" + threadLocal.get());

new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
threadLocal.set("world");
System.out.println("new Thread1:" + threadLocal.get());
}
}).start();

new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
threadLocal.set("!!!");
System.out.println("new Thread2:" + threadLocal.get());
}
}).start();
}

面试官: ThreadLocal源码有看过吗?

小小白: 看过。

面试官: 那说一下ThreadLocal的实现原理?

小小白: 从ThreadLocal的set方法的源码开始:

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

set方法的第一步是获取当前线程实例,然后通过getMap方法获取当前线程实例的threadLocals属性,threadLocalsThreadLocalMap类型的变量,而ThreadLocalMap则是一个定制化的HashMap

// ThreadLocal类中的getMap方法

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {

return t.threadLocals;

}

// Thread类中声明的threadLocals变量
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

如果getMap方法获取的ThreadLocalMap类型变量map不等于null,则以当前ThreadLocal实例对象为key,传入的value值为value存到这个ThreadLocalMap中,需要注意的是在实际存储的时候,key使用的是ThreadLocal的弱引用。

如果getMap方法获取的ThreadLocalMap类型变量map等于null,则调用createMap方法创建一个ThreadLocalMap实例对象,并以当前ThreadLocal实例对象为key,传入的value值为value存到这个ThreadLocalMap中。

看到这里就会明白,使用ThreadLocal时,每个线程维护一个ThreadLocalMap映射表,映射表的key是ThreadLocal实例,并且使用的是ThreadLocal的弱引用 ,value是具体需要存储的Object。

紧接着进入ThreadLocal类的get方法,这个方法的第一步也是获取当前线程,通过getMap方法获取当前线程所维护的ThreadLocalMap实例,如果ThreadLocalMap对象实例不等于null,则以当前ThreadLocal对象实例为key从ThreadLocalMap中获取所需要的值。

public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null){
return (T)e.value;
}
}
return setInitialValue();
}

如果getMap方法获取到的ThreadLocalMap对象实例等于null,则调用setInitialValue方法初始化一个ThreadLocalMap,并以当前ThreadLocal实例对象为key,null值为value存到这个ThreadLocalMap中,同时返回null。

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;
}

protected T initialValue() {
return null;
}

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

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

面试官:看来这部分很熟悉,那为什么Thread类中声明的threadLocals变量是map结构的?

小小白:因为每个线程都可以关联很多个ThreadLocal变量。

面试官:你知道ThreadLocal使用不当会发生内存泄露吗?

小小白:知道。每一个Thread维护一个ThreadLocalMap映射表,映射表的key是ThreadLocal实例,并且使用的是ThreadLocal的弱引用 ,value是具体需要存储的Object。下面用一张图展示这些对象之间的引用关系,实心箭头表示强引用,空心箭头表示弱引用。

threadlocal

从上图可以看出,如果ThreadLocal没有外部强引用,当发生垃圾回收时,这个ThreadLocal一定会被回收(弱引用的特点是不管当前内存空间足够与否,GC时都会被回收),这样就会导致ThreadLocalMap中出现key为null的Entry,外部将不能获取这些key为null的Entry的value,并且如果当前线程一直存活,那么就会存在一条强引用链:Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value,导致value对应的Object一直无法被回收,产生内存泄露。查看源码会发现,ThreadLocal的get、set和remove方法都实现了对所有key为null的value的清除,但仍可能会发生内存泄露,因为可能使用了ThreadLocal的get或set方法后发生GC,此后不调用get、set或remove方法,为null的value就不会被清除。

面试官:这个问题如何解决?

小小白: 解决办法是每次使用完ThreadLocal都调用它的remove()方法清除数据,或者按照JDK建议将ThreadLocal变量定义成private static,这样就一直存在ThreadLocal的强引用,也就能保证任何时候都能通过ThreadLocal的弱引用访问到Entry的value值,进而清除掉。

面试官: 就你最开始写的代码,现在又有新需求,想在子线程中获取主线程threadLocal中set方法设置的值,如何实现?

小小白: 使用InheritableThreadLocal,ThreadLocal threadLocal = new InheritableThreadLocal(),这样在子线程中就可以通过get方法获取到主线程set方法设置的值了。

面试官: InheritableThreadLocal的实现原理是什么?

小小白: InheritableThreadLocal继承了ThreadLocal,并且重写了childValue、getMap和createMap方法,当在主线程中创建InheritableThreadLocal实例对象后,通过new Thread()方式创建子线程时,进入如下代码。

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

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,long stackSize) {
init(g, target, name, stackSize, null);
}

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,long stackSize, AccessControlContext acc) {
if (name == null) {
throw new NullPointerException("name cannot be null");
}
this.name = name.toCharArray();
Thread parent = currentThread();
SecurityManager security = System.getSecurityManager();
if (g == null) {
if (security != null) {
g = security.getThreadGroup();
}
if (g == null) {
g = parent.getThreadGroup();
}
}
g.checkAccess();
if (security != null) {
if (isCCLOverridden(getClass())) {
security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
}
}
g.addUnstarted();
this.group = g;
this.daemon = parent.isDaemon();
this.priority = parent.getPriority();
if (security == null || isCCLOverridden(parent.getClass()))
this.contextClassLoader = parent.getContextClassLoader();
else
this.contextClassLoader = parent.contextClassLoader;
this.inheritedAccessControlContext =
acc != null ? acc : AccessController.getContext();
this.target = target;
setPriority(priority);
// 如果父线程的inheritableThreadLocals不为null
if (parent.inheritableThreadLocals != null)
// 通过createInheritedMap方法将父线程中inheritableThreadLocals的值复制到子线程的inheritableThreadLocals中
this.inheritableThreadLocals =ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
/* Stash the specified stack size in case the VM cares */
this.stackSize = stackSize;
/* Set thread ID */
tid = nextThreadID();
}

当使用InheritableThreadLocal创建实例对象时,当前线程Thread对象中维护了一个inheritableThreadLocals变量,它也是ThreadLocalMap类型,在创建子线程的过程中,将主线程维护的inheritableThreadLocals变量的值复制到子线程维护的inheritableThreadLocals变量中,这样子线程就可以获取到主线程设置的值了。

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