Java面试题必备知识之ThreadLocal

老套路,先列举下关于ThreadLocal常见的疑问,希望可以通过这篇学习笔记来解决这几个问题:

  1. ThreadLocal是用来解决什么问题的?
  2. 如何使用ThreadLocal?
  3. ThreadLocal的实现原理是什么?
  4. 可否举几个实际项目中使用ThreadLocal的案例?

基础知识

ThreadLocal是线程局部变量,和普通变量的不同在于:每个线程持有这个变量的一个副本,可以独立修改(set方法)和访问(get方法)这个变量,并且线程之间不会发生冲突。

类中定义的ThreadLocal实例一般会被 private static 修饰,这样可以让ThreadLocal实例的状态和Thread绑定在一起,业务上,一般用ThreadLocal包装一些业务ID(user ID或事务ID)——不同的线程使用的ID是不相同的。

如何使用

case1

从某个角度来看,ThreadLocal为Java并发编程提供了额外的思路——避免并发,如果某个对象本身是非线程安全的,但是你想实现多线程同步访问的效果,例如SimpleDateFormat,你可以使用ThreadLocal变量。

public class Foo
{
    // SimpleDateFormat is not thread-safe, so give one to each thread
    private static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> formatter = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>(){
        @Override
        protected SimpleDateFormat initialValue()
        {
            return new SimpleDateFormat("yyyyMMdd HHmm");
        }
    };

    public String formatIt(Date date)
    {
        return formatter.get().format(date);
    }
}

注意,这里针对每个线程只需要初始化一次SimpleDateFormat对象,其实跟在自定义线程中定义一个SimpleDateFormat成员变量,并在线程初始化的时候new这个对象,效果是一样的,只是这样看起来代码更规整。

case2

之前在yunos做酷盘项目的数据迁移时,我们需要按照用户维度去加锁,每个线程在处理迁移之前,都需要先获取当前用户的锁,每个锁的key是带着用户信息的,因此也可以使用ThreadLocal变量实现:

case3

下面这个例子,我们定义了一个MyRunnable对象,这个MyRunnable对象会被线程1和线程2使用,但是通过内部的ThreadLocal变量,每个线程访问到的整数都是自己单独的一份。

package org.java.learn.concurrent.threadlocal;

/**
 * @author duqi
 * @createTime 2018-12-29 23:25
 **/
public class ThreadLocalExample {
    public static class MyRunnable implements Runnable {

        private ThreadLocal<Integer> threadLocal =
                new ThreadLocal<Integer>();

        @Override
        public void run() {
            threadLocal.set((int) (Math.random() * 100D));

            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
            }

            System.out.println(threadLocal.get());
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyRunnable sharedRunnableInstance = new MyRunnable();

        Thread thread1 = new Thread(sharedRunnableInstance);
        Thread thread2 = new Thread(sharedRunnableInstance);

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join(); //wait for thread 1 to terminate
        thread2.join(); //wait for thread 2 to terminate
    }
}

ThreadLocal关键知识点

源码分析

ThreadLocal是如何被线程使用的?原理如下图所示:Thread引用和ThreadLocal引用都在栈上,Thread引用会引用一个ThreadLocalMap对象,这个map中的key是ThreadLocal对象(使用WeakReference包装),value是业务上变量的值。

首先看 java.lang.Thread 中的代码:

public
class Thread implements Runnable {
    //......其他源码
    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

    /*
     * InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained by the InheritableThreadLocal class.
     */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
    //......其他源码

Thread中的threadLocals变量指向的是一个map,这个map就是ThreadLocal.ThreadLocalMap,里面存放的是跟当前线程绑定的ThreadLocal变量;inheritableThreadLocals的作用相同,里面也是存放的ThreadLocal变量,但是存放的是从当前线程的父线程继承过来的ThreadLocal变量。

在看 java.lang.ThreadLocal 类,主要的成员和接口如下:

  1. withInitial方法,Java 8以后用于初始化ThreadLocal的一种方法,在外部调用get()方法的时候,会通过Supplier确定变量的初始值;

    public static <S> ThreadLocal<S> withInitial(Supplier<? extends S> supplier) {
        return new SuppliedThreadLocal<>(supplier);
    }
  2. get方法,获取当前线程的变量副本,如果当前线程还没有创建该变量的副本,则需要通过调用 initialValue 方法来设置初始值;get方法的源代码如下,首先通过当前线程获取当前线程对应的map,如果map不为空,则从map中取出对应的Entry,然后取出对应的值;如果map为空,则调用setInitialValue设置初始值;如果map不为空,当前ThreadLocal实例对应的Entry为空,则也需要设置初始值。

    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();
    }
  3. set方法,跟get方法一样,先获取当前线程对应的map,如果map为空,则调用createMap创建map,否则将变量的值放入map——key为当前这个ThreadLocal对象,value为变量的值。

    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }
  4. remove方法,删除当前线程绑定的这个副本

    public void remove() {
             ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
             if (m != null)
                 m.remove(this);
         }
  5. 数字0x61c88647,这个值是HASH_INCREMENT的值,普通的hashmap是使用链表来处理冲突的,但是ThreadLocalMap是使用线性探测法来处理冲突的,HASH_INCREMENT就是每次增加的步长,根据参考资料1所说,选择这个数字是为了让冲突概率最小。
/**
     * The difference between successively generated hash codes - turns
     * implicit sequential thread-local IDs into near-optimally spread
     * multiplicative hash values for power-of-two-sized tables.
     */
    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

父子进程数据共享

InheritableThreadLocal主要用于子线程创建时,需要自动继承父线程的ThreadLocal变量,实现子线程访问父线程的threadlocal变量。InheritableThreadLocal继承了ThreadLocal,并重写了childValue、getMap、createMap三个方法。

public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
    /**
     * 创建线程的时候,如果需要继承且父线程中Thread-Local变量,则需要将父线程中的ThreadLocal变量一次拷贝过来。
     */
    protected T childValue(T parentValue) {
        return parentValue;
    }

    /**
    * 由于重写了getMap,所以在操作InheritableThreadLocal变量的时候,将只操作Thread类中的inheritableThreadLocals变量,与threadLocals变量没有关系
    **/
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
       return t.inheritableThreadLocals;
    }

    /**
     * 跟getMap类似,set或getInheritableThreadLocal变量的时候,将只操作Thread类中的inheritableThreadLocals变量
     */
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }
}

关于childValue多说两句,拷贝是如何发生的?

首先看Thread.init方法,

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name, long stackSize, AccessControlContext acc, boolean inheritThreadLocals) {
        //其他源码
        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();
    }

然后看ThreadLocal.createInheritedMap方法,最终会调用到newThreadLocalMap方法,这里InheritableThreadLocal对childValue做了重写,可以看出,这里确实是将父线程关联的ThreadLocalMap中的内容依次拷贝到子线程的ThreadLocalMap中了。

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) {
                        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++;
                    }
                }
            }
        }

ThreadLocal对象何时被回收?

ThreadLocalMap中的key是ThreadLocal对象,然后ThreadLocal对象时被WeakReference包装的,这样当没有强引用指向该ThreadLocal对象之后,或者说Map中的ThreadLocal对象被判定为弱引用可达时,就会在垃圾收集中被回收掉。看下Entry的定义:

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
     /** The value associated with this ThreadLocal. */
     Object value;

     Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
         super(k);
         value = v;
     }
}

ThreadLocal和线程池一起使用?

ThreadLocal对象的生命周期跟线程的生命周期一样长,那么如果将ThreadLocal对象和线程池一起使用,就可能会遇到这种情况:一个线程的ThreadLocal对象会和其他线程的ThreadLocal对象串掉,一般不建议将两者一起使用。

案例学习

Dubbo中对ThreadLocal的使用

我从Dubbo中找到了ThreadLocal的例子,它主要是用在请求缓存的场景,具体代码如下:

@Activate(group = {Constants.CONSUMER, Constants.PROVIDER}, value = Constants.CACHE_KEY)
public class CacheFilter implements Filter {

    private CacheFactory cacheFactory;

    public void setCacheFactory(CacheFactory cacheFactory) {
        this.cacheFactory = cacheFactory;
    }

    @Override
    public Result invoke(Invoker<?> invoker, Invocation invocation) throws RpcException {
        if (cacheFactory != null && ConfigUtils.isNotEmpty(invoker.getUrl().getMethodParameter(invocation.getMethodName(), Constants.CACHE_KEY))) {
            Cache cache = cacheFactory.getCache(invoker.getUrl(), invocation);
            if (cache != null) {
                String key = StringUtils.toArgumentString(invocation.getArguments());
                Object value = cache.get(key);
                if (value != null) {
                    if (value instanceof ValueWrapper) {
                        return new RpcResult(((ValueWrapper)value).get());
                    } else {
                        return new RpcResult(value);
                    }
                }
                Result result = invoker.invoke(invocation);
                if (!result.hasException()) {
                    cache.put(key, new ValueWrapper(result.getValue()));
                }
                return result;
            }
        }
        return invoker.invoke(invocation);
    }

可以看出,在RPC调用(invoke)的链路上,会先使用请求参数判断当前线程是否刚刚发起过同样参数的调用——这个调用会使用ThreadLocalCache保存起来。具体的看,ThreadLocalCache的实现如下:

package org.apache.dubbo.cache.support.threadlocal;

import org.apache.dubbo.cache.Cache;
import org.apache.dubbo.common.URL;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * ThreadLocalCache
 */
public class ThreadLocalCache implements Cache {

    //ThreadLocal里存放的是参数到结果的映射
    private final ThreadLocal<Map<Object, Object>> store;

    public ThreadLocalCache(URL url) {
        this.store = new ThreadLocal<Map<Object, Object>>() {
            @Override
            protected Map<Object, Object> initialValue() {
                return new HashMap<Object, Object>();
            }
        };
    }

    @Override
    public void put(Object key, Object value) {
        store.get().put(key, value);
    }

    @Override
    public Object get(Object key) {
        return store.get().get(key);
    }

}

RocketMQ

在RocketMQ中,我也找到了ThreadLocal的身影,它是用在消息发送的场景,MQClientAPIImpl是RMQ中负责将消息发送到服务端的实现,其中有一个步骤需要选择一个具体的队列,选择具体的队列的时候,不同的线程有自己负责的index值,这里使用了ThreadLocal的机制,可以看下ThreadLocalIndex的实现:

package org.apache.rocketmq.client.common;

import java.util.Random;

public class ThreadLocalIndex {
    private final ThreadLocal<Integer> threadLocalIndex = new ThreadLocal<Integer>();
    private final Random random = new Random();

    public int getAndIncrement() {
        Integer index = this.threadLocalIndex.get();
        if (null == index) {
            index = Math.abs(random.nextInt());
            if (index < 0)
                index = 0;
            this.threadLocalIndex.set(index);
        }

        index = Math.abs(index + 1);
        if (index < 0)
            index = 0;

        this.threadLocalIndex.set(index);
        return index;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "ThreadLocalIndex{" +
            "threadLocalIndex=" + threadLocalIndex.get() +
            '}';
    }
}

总结

这篇文章主要是解决了关于ThreadLocal的几个问题:(1)具体的概念是啥?(2)在Java开发中的什么场景下使用?(3)ThreadLocal的实现原理是怎样的?(4)开源项目中有哪些案例可以参考?不知道你是否对这几个问题有了一定的了解呢?如果还有疑问,欢迎交流。

参考资料

  1. Why 0x61c88647?
  2. Java ThreadLocal
  3. When and how should I use a ThreadLocal variable?
  4. 技术小黑屋:理解Java中的ThreadLocal
  5. 深入分析ThreadLocal的内存泄漏问题
  6. 《Java并发编程实战》
  7. InheritableThreadLocal详解
  8. ThreadLocal详解
  9. ThreadLocal的使用场景
  10. 数据结构:哈希表

本号专注于后端技术、JVM问题排查和优化、Java面试题、个人成长和自我管理等主题,为读者提供一线开发者的工作和成长经验,期待你能在这里有所收获。

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