前言

上周我侥幸通过美团一面（点击查看一面过程），岗位是java后端开发工程师。美团面试官给我进行了二面。面试过程中他问了ThreadLocal原理（上次问线程池，这次问ThreadLocal，美团爸爸这么喜欢线程安全机制么），今天详细讲一讲ThreadLocal原理。

ThreadLocal

ThreadLocal是线程的内部存储类，可以在指定线程内存储数据。只有指定线程可以得到存储数据。

/*** 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).*/

每个线程都有一个ThreadLocalMap的实例对象，并且通过ThreadLocal管理ThreadLocalMap。

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

每个新线程都会实例化为一个ThreadLocalMap并且赋值给成员变量ThreadLocals，使用时若已经存在threadLocals则直接使用已经存在的对象。

应用场景

当某些数据是以线程为作用域并且不同线程有不同数据副本时，考虑ThreadLocal。

无状态，副本变量独立后不影响业务逻辑的高并发场景。

如果如果业务逻辑强依赖于副本变量，则不适合用ThreadLocal解决。

get()与set()

set()是调用ThreadLocalMap的set()实现的

public void set(T value) {Thread t = Thread.currentThread();ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null)map.set(this, value);elsecreateMap(t, value);}
//getMap方法
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {//thred中维护了一个ThreadLocalMapreturn t.threadLocals;}//createMap
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threadLocalst.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap为每个Thread都维护了一个数组table，ThreadLocal确定了一个数组下标，而这个下标是value存储的对应位置。

ThreadLocalMaps是延迟构造的，因此只有在至少要放置一个条目时才创建。

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);}

ThreadLocalMap初始化时创建了默认长度是16的Entry数组。通过hashCode与length位运算确定索引值i。

每个Thread都有一个ThreadLocalMap类型。相当于每个线程Thread都有一个Entry型的数组table。而一切读取过程都是通过操作这个数组table进行的。

set() 方法

        private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {// We don't use a fast path as with get() because it is at// least as common to use set() to create new entries as// it is to replace existing ones, in which case, a fast// path would fail more often than not.Entry[] tab = table;int len = tab.length;//通过&运算计算索引int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);for (Entry e = tab[i];e != null;e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {ThreadLocal<?> k = e.get();//如果存在key则覆盖if (k == key) {e.value = value;return;}if (k == null) {replaceStaleEntry(key, value, i);return;}}//新建结点插入tab[i] = new Entry(key, value);int sz = ++size;if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)rehash();}

将threadLocalHashCode与长度进行位运算得到索引。

threadLocalHashCode的代码如下：

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();/*** The next hash code to be given out. Updated atomically. Starts at* zero.*/private static AtomicInteger nextHashCode =new AtomicInteger();/*** 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;/*** Returns the next hash code.*/private static int nextHashCode() {return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);}

由于是static变量，threadLocalHashCode在每次加载threadLocal类时会重新初始化，同时会自增一次，增加HASH_INCREMENT（斐波那契散列乘数，通过该数散列出来的结果会比较均匀）。

static变量也称作静态变量，静态变量和非静态变量的区别是：静态变量被所有的对象所共享，在内存中只有一个副本，它当且仅当在类初次加载时会被初始化。

而非静态变量是对象所拥有的，在创建对象的时候被初始化，存在多个副本，各个对象拥有的副本互不影响。static成员变量的初始化顺序按照定义的顺序进行初始化。

对于一个ThreadLocal来讲，他的索引值i是确定的。对于不同线程，同一个threadlocal对应的是不同table的同一下标，即是table[i]，不同线程之间的table是相互独立的。

get() 方法

计算索引，直接取出

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();}

remove() 方法

/*** Remove the entry for key.*/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();expungeStaleEntry(i);return;}}}

线程隔离特性

线程隔离特性，只有在线程内才能获取到对应的值，线程外不能访问。

Synchronized是通过线程等待，牺牲时间来解决访问冲突
ThreadLocal是通过每个线程单独一份存储空间，牺牲空间来解决冲突

内存泄露问题

存在内存泄露问题，每次使用完ThreadLocal，都调用它的remove()方法，清除数据。

Demo程序

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;/*** <h3>Exper1</h3>* <p>ThreadLocalId</p>** @author : cxc* @date : 2020-04-01 23:48**/public class ThreadLocalId {// Atomic integer containing the next thread ID to be assignedprivate static final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger(0);// Thread local variable containing each thread's IDprivate static final ThreadLocal <Integer> threadId =new ThreadLocal<Integer>(){@Overrideprotected Integer initialValue() {return nextId.getAndIncrement();}};// Returns the current thread's unique ID, assigning it if necessarypublic static int get() {return threadId.get();}public static void remove() {threadId.remove();}}/*** <h3>Exper1</h3>* <p></p>** @author : cxc* @date : 2020-04-02 00:07**/
public class ThreadLocalMain {private static void incrementSameThreadId(){try{for(int i=0;i<5;i++){System.out.println(Thread.currentThread()+"_"+i+",threadId:"+ThreadLocalId.get());}}finally {ThreadLocalId.remove();}}public static void main(String[] args) {incrementSameThreadId();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {incrementSameThreadId();}}).start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {incrementSameThreadId();}}).start();}
}

总结

咱们玩归玩，闹归闹，别拿面试开玩笑。

ThreadLocal的原理在面试中几乎被问烂了。Thread的私有数据是存储在ThreadLocalMap，通过ThreadLoacl进行管理。要了解ThreadLocal的原理，最好多阅读几遍源码，尤其是ThreadLocalMap的源码部分。大家面试前要把知识点记牢。

文章持续更新，可以微信搜索「云璈公子」阅读，回复【资料】【面试】【简历】有我准备的一线大厂面试资料和简历模板，同时我的GitHub https://github.com/1170300826/JavaInterview 有互联网一线大厂面试指南。

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