ThreadLocal底层原理是什么？

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ThreadLocal提供线程的局部变量，这种变量与普通变量的区别在于，每个访问这种变量的线程都有自己的、独立的变量副本。用于解决多线程间的数据隔离问题。

使用场景

其实ThreadLocal在很多开源框架中都有应用：

Spring中的事务管理器，比如TransactionSynchronizationManager等。Mybatis中的ErrorContext类，使用ThreadLocal实现线程安全的单例。存储session中的一些参数，比如用户信息等。API

ThreadLocal提供了4个常用方法：

set()方法，设置当前线程中变量的副本。get()方法，获取 ThreadLocal在当前线程中保存的变量副本。remove()方法，清空当前线程中变量的副本。initialValue()是一个 protected方法，一般是用来重写的，如果在没有set的时候就调用 get，会调用 initialValue方法初始化内容。

private static ThreadLocal SimpleDateFormat simpleDateFormatThreadLocal = new ThreadLocal SimpleDateFormat (){
 //重写此方法，初始化ThreadLocal的value
 @Override
 protected SimpleDateFormat initialValue() {
 return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
};

原理

那么怎么实现数据隔离的，我们从源码的角度进行分析。

我们先看ThreadLocal类的get()方法。

public T get() {
 Thread t = Thread.currentThread();
 //通过当前线程获取ThreadLocalMap
 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();
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;
//返回Thread实例的成员变量threadLocals
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
 return t.threadLocals;
//给Thread实例的成员变量threadLocals赋值
void createMap(Thread t, T firstValue) {
 t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

从源码可以看出，数据是存在于Thread类的成员变量threadLocals

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
 * by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

上面写了一段注释，翻译过来就是，关于该线程的ThreadLocal的值，由ThreadLocal类进行维护。

所以很清楚了，数据隔离的实现是因为ThreadLocal类操作的是Thread的成员变量threadLocals。每个线程Thread都有自己的threadLocals，从而互相不影响。

threadLocals这个成员变量的本质又是ThreadLocalMap类，它是ThreadLocal的内部类，下面我们研究一下这个内部类的数据结构。

数据结构

先看一下源码：

static class ThreadLocalMap {
 static class Entry extends WeakReference ThreadLocal ? {
 /** The value associated with this ThreadLocal. */
 Object value;
 Entry(ThreadLocal ? k, Object v) {
 super(k);
 value = v;
 //初始化容量
 private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
 //散列表
 private Entry[] table;
 //有效数量
 private int size = 0;
 //负载因子
 private int threshold;
 private void setThreshold(int len) {
 threshold = len * 2 / 3;
 //构造器
 ThreadLocalMap(ThreadLocal ? firstKey, Object firstValue) {
 table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
 int i = firstKey.threadLocalHashCode (INITIAL_CAPACITY - 1);
 table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
 size = 1;
 setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

这一看跟HashMap还有几分相似，但是哈希冲突的处理方式，ThreadLocalMap采用的是开放寻址法(自行百度一下，这里不多解释了)，大概长这个样子：

所以这里可以看出ThreadLocal的引用可以定位到ThreadLocalMap里散列表table[]里的值。

内存泄漏问题

我们从源码中可以看到Entry是继承WeakReference类，key是弱引用，value是强引用。为什么要设计成弱引用？不如反过来想，如果设置成强引用会有什么效果。

如果Entry对象的Key每个都强引用到ThreadLocal对象的话，那么这个ThreadLocal对象就会因为和Entry对象存在强引用关联而无法被GC回收，造成内存泄漏，除非线程结束后，线程被回收了，ThreadLocalMap才会跟着回收。

当作为Key的ThreadLocal对象设置成弱引用对象后，在系统GC的时候，ThreadLocal对象就会被回收。

但是这样就能防止内存泄漏吗？

其实不然！因为Value还是强引用对象，当Key被回收后，key变成了null值，而Value依然存在一条强引用链：Thread Ref - Thread - ThreaLocalMap - Entry - value永远无法回收，而这块value也永远不会被访问到了，最终造成内存泄漏。

所以在设计ThreadLocalMap时就考虑到这个问题，在ThreadLocal的get()、set()、remove()的时候都会清除线程ThreadLocalMap里所有key为null的value。

总结其实ThreadLocal并没有解决多线程间数据共享的问题，而是使数据在不同线程有不同的副本，那么就不需要解决共享数据的问题。每个线程持有一个ThreadLocalMap对象，该ThreadLocalMap对象只会被持有它的线程访问，所以不存在线程安全问题。ThreadLocalMap的数据结构类似HashMap，里面由Entry[]数组、size、负载因子等组成，采用开放寻址法解决哈希冲突。ThreadLocalMap的Entry对ThreadLocal对象是弱引用，GC回收后，会产生一些key为null的value无法被访问，也无法被回收，最终导致内存泄漏。预防措施是调用ThreadLocal的remove()方法，清除掉ThreadLocalMap里面key为null的value。

非常感谢你的阅读，希望这篇文章能给到你帮助和启发。

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