深入理解 ThreadLocal

前言

上篇文章 深入理解 Handler 消息机制 中提到了获取线程的 Looper 是通过 ThreadLocal 来实现的:

public static @Nullable Looper myLooper() {
    return sThreadLocal.get();
}

每个线程都有自己的 Looper,它们之间不应该有任何交集,互不干扰,我们把这种变量称为 线程局部变量 。而 ThreadLocal 的作用正是存储线程局部变量,每个线程中存储的都是独立存在的数据副本。如果你还是不太理解,看一下下面这个简单的例子:

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    ThreadLocal<Boolean> threadLocal = new ThreadLocal<Boolean>();
    threadLocal.set(true);

    Thread t1 = new Thread(() -> {
        threadLocal.set(false);
        System.out.println(threadLocal.get());
    });

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        System.out.println(threadLocal.get());
    });

    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(threadLocal.get());
}

执行结果是:

false
null
true

可以看到,我们在不同的线程中调用同一个 ThreadLocal 的 get() 方法,获得的值是不同的,看起来就像 ThreadLocal 为每个线程分别存储了不同的值。那么这到底是如何实现的呢?一起来看看源码吧。

以下源码基于 JDK 1.8 , 相关文件:

Thread.java

ThreadLocal.java

ThreadLocal

首先 ThreadLocal 是一个泛型类,public class ThreadLocal<T>,支持存储各种数据类型。它对外暴露的方法很少,基本就 get()set()remove() 这三个。下面依次来看一下。

set()

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t); // 获取当前线程的 ThreadLocalMap
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value); // 创建 ThreadLocalMap
}

这里出现了一个新东西 ThreadLocalMap,暂且就把他当做一个普通的 Map。从 map.set(this, value) 可以看出来这个 map 的键是 ThreadLocal 对象,值是要存储的 value 对象。其实看到这,ThreadLocal 的原理你应该基本都明白了。

每一个 Thread 都有一个 ThreadLocalMap ,这个 Map 以 ThreadLocal 对象为键,以要保存的线程局部变量为值。这样就做到了为每个线程保存不同的副本。

首先通过 getMap() 函数获取当前线程的 ThreadLocalMap :

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

原来 Thread 还有这么一个变量 threadLocals

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
* by the ThreadLocal class.
*
* 存储线程私有变量,由 ThreadLocal 进行管理
*/
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

默认为 null,所以第一次调用时返回 null ,调用 createMap(t, value) 进行初始化:

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

get()

set() 方法是向 ThreadLocalMap 中插值,那么 get() 就是在 ThreadLocalMap 中取值了。

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t); // 获取当前线程的 ThreadLocalMap
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result; // 找到值,直接返回
        }
    }
    return setInitialValue(); // 设置初始值
}

首先获取 ThreadLocalMap,在 Map 中寻找当前 ThreadLocal 对应的 value 值。如果 Map 为空,或者没有找到 value,则通过 setInitialValue() 函数设置初始值。

private T setInitialValue() {
    T value = initialValue(); // 为 null
    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;
}

setInitialValue()set() 逻辑基本一致,只不过 value 是 null 而已。这也解释了文章开头的例子会输出 null。当然,在 ThreadLocal 的子类中,我们可以通过重写 setInitialValue() 来提供其他默认值。

remove()

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

remove() 就更简单了,根据键直接移除对应条目。

看到这里,ThreadLocal 的原理好像就说完了,其实不然。ThreadLocalMap 是什么样的一个哈希表呢?它是如何解决哈希冲突的?它是如何添加,获取和删除元素的?可能会导致内存泄露吗?

其实 ThreadLocalMap 才是 ThreadLocal 的核心。ThreadLocal 仅仅只是提供给开发者的一个工具而已,就像 Handler 一样。带着上面的问题,来阅读 ThreadLocalMap 的源码,体会 JDK 工程师的鬼斧神工。

ThreadLocalMap

Entry

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的静态内部类,它没有直接使用 HashMap,而是一个自定义的哈希表,使用数组实现,数组元素是 Entry

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

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

Entry 类继承了 WeakReference<ThreadLocal<?>>,我们可以把它看成是一个键值对。键是当前的 ThreadLocal 对象,值是存储的对象。注意 ThreadLocal 对象的引用是弱引用,值对象 value 的引用是强引用。ThreadLocal 使用弱引用其实很好理解,源码注释中也告诉了我们答案:

To help deal with very large and long-lived usages, the hash table entries use WeakReferences for keys

Thread 持有 ThreadLocalMap 的强引用,ThreadLocalMap 中的 Entry 的键是 ThreadLocal 引用。如果线程长期存活或者使用了线程池,而 ThreadLocal 在外部又没有任何强引用了,这种情况下如果 ThreadLocalMap 的键仍然使用强引用 ThreadLocal,就会导致 ThreadLocal 永远无法被垃圾回收,造成内存泄露。

图片来源:http://www.jianshu.com/p/a1cd61fa22da

那么,使用弱引用是不是就万无一失了呢?答案也是否定的。同样是上面说到使用情况,线程长期存活,由于 Entry 的 key 使用了弱引用,当 ThreadLocal 不存在外部强引用时,可以在 GC 中被回收。但是根据可达性分析算法,仍然存在着这么一个引用链:

Current Thread -> ThreadLocalMap -> Entry -> value

key 已经被回收了,此时 key == null。那么,value 呢?如果线程长期存在,这个针对 value 的强引用也会一直存在,外部是否对 value 指向的对象还存在其他强引用也不得而知。所以这里还是有几率发生内存泄漏的。就算我们不知道外部的引用情况,但至少在这里应该是可以切断 value 引用的。

所以,为了解决可能存在的内存泄露问题,我们有必要对于这种 key 已经被 GC 的过期 Entry 进行处理,手动释放 value 引用。当然,JDK 中已经为我们处理了,而且处理的十分巧妙。下面就来看看 ThreadLocalMap 的源码。

构造函数

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);
}

table 是存储 Entry 的数组,初始容量 INITIAL_CAPACITY 是 16。

firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1) 是 ThreadLocalMap 计算哈希的方式。&(2^n-1) 其实等同于 % 2^n,位运算效率更高。

threadLocalHashCode 是如何计算的呢?看下面的代码:

private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}

0x61c88647 是一个增量,每次取哈希都要再加上这个数字。又是一个神奇的数字,让我想到了 Integer 源码中的 52429 这个数字,见 走进 JDK 之 Integer0x61c88647 背后肯定也有它的数学原理,总之肯定是为了效率。

原理就不去探究了,其实我也不知道是啥原理。不过我们可以试用一下,看看效果如何。按照上面的方式来计算连续几个元素的哈希值,也就是在 Entry 数组中的位置。代码如下:

public class Test {

    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
    private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }

    private static int hash() {
        return nextHashCode() & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    }

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            System.out.println(hash());
        }
    }
}

运算结果如下:

0
7
14
5
12
3
10
1

计算结果分布还是比较均匀的。既然是哈希表,肯定就会存在哈希冲突的情况。那么,ThreadLocalMap 是如何解决哈希冲突呢?很简单,看一下 nextIndex() 方法。

private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

在不超过 len 的情况下直接加 1,否则置 0。其实这样又可以看成一个环形数组。

接下来看看 ThreadLocalMap 的数据是如何存储的。

set()

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;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); // 当前 key 的哈希,即在数组 table 中的位置

    for (Entry e = tab[i];
        e != null; // 循环直到碰到空 Entry
        e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        if (k == key) { // 更新 key 对应的值
            e.value = value;
            return;
        }

        if (k == null) { // 替代过期 entry
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}
  1. 通过 key.threadLocalHashCode & (len-1) 计算出初始的哈希值
  2. 不断调用 nextIndex() 直到找到空 Entry
  3. 在第二步遍历过程中的每个元素,要处理两种情况:

    (1). k == key,说明当前 key 已存在,直接更新值即可,直接返回

    (2). k == null, 注意这里的前置条件是 entry != null。说明遇到过期 Entry,直接替换
  4. 不属于 3 中的两种情况,则将参数中的键值对插入空 Entry 处
  5. cleanSomeSlots()/rehash()

先来看看第三步中的第二种特殊情况。Entry 不为空,但其中的 key 为空,什么时候会发生这种情况呢?对,就是前面说到内存泄漏时提到的 过期 Entry。我们都知道 Entry 的 key 是弱引用的 ThreadLocal,当外部没有它的任何强引用时,下次 GC 时就会将其回收。所以这时候的 Entry 理论上也是无效的了。

由于这里是在 set() 方法插入元素的过程中发现了过期 Entry,所以只要将要插入的 Entry 直接替换这个 key==null 的 Entry 就可以了,这就是 replaceStaleEntry() 的核心逻辑。

replaceStaleEntry()

private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value, int staleSlot) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    Entry e;

    // Back up to check for prior stale entry in current run.
    // We clean out whole runs at a time to avoid continual
    // incremental rehashing due to garbage collector freeing
    // up refs in bunches (i.e., whenever the collector runs).
    // 向前找到第一个过期条目
    int slotToExpunge = staleSlot;
    for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
        (e = tab[i]) != null;
        i = prevIndex(i, len))
        if (e.get() == null)
            slotToExpunge = i; // 记录前一个过期条目的位置

    // Find either the key or trailing null slot of run, whichever occurs first
    // 向后查找,直到找到 key 或者 空 Entry
    for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
        (e = tab[i]) != null;
        i = nextIndex(i, len)) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        // If we find key, then we need to swap it
        // with the stale entry to maintain hash table order.
        // The newly stale slot, or any other stale slot
        // encountered above it, can then be sent to expungeStaleEntry
        // to remove or rehash all of the other entries in run.
        if (k == key) {

            // 如果在向后查找过程中发现 key 相同的 entry 就覆盖并且和过期 entry 进行交换
            e.value = value;

            tab[i] = tab[staleSlot];
            tab[staleSlot] = e;

            // Start expunge at preceding stale entry if it exists
            // 如果在查找过程中还未发现过期 entry,那么就以当前位置作为 cleanSomeSlots 的起点
            if (slotToExpunge == staleSlot)
                slotToExpunge = i;
            cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
            return;
        }

        // If we didn't find stale entry on backward scan, the
        // first stale entry seen while scanning for key is the
        // first still present in the run.
        // 如果向前未搜索到过期 entry,而在向后查找过程遇到过期 entry 的话,后面就以此时这个位置
        // 作为起点执行 cleanSomeSlots
        if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
            slotToExpunge = i;
    }

    // If key not found, put new entry in stale slot
    // 如果在查找过程中没有找到可以覆盖的 entry,则将新的 entry 插入在过期 entry
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = new Entry(key, value);

    // If there are any other stale entries in run, expunge them
    // 在上面的代码运行过程中,找到了其他的过期条目
    if (slotToExpunge != staleSlot)
        cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}

看起来挺累人的。在我理解,replaceStaleEntry 只是做一个标记的作用,在各种情况下最后都会调用 cleanSomeSlots 来真正的清理过期条目。

你可以看到 ``

cleanSomeSlots()

private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
    boolean removed = false;
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    do {
        i = nextIndex(i, len);
        Entry e = tab[i];
        if (e != null && e.get() == null) {
            n = len;
            removed = true;
            i = expungeStaleEntry(i); // 需要清理的 Entry
        }
    } while ( (n >>>= 1) != 0);
    return removed;
}

参数 n 表示扫描控制。初始情况下扫描 log2(n) 次,如果遇到过期条目,会再扫描 log2(table.length)-1 次。在 set() 方法中调用,参数 n 表示元素的个数。在 replaceStaleEntry 中调用,参数 n 表示的是数组 table 的长度。

注意 do 循环里面的判断条件:e != null && e.get() == null ,还是那些 Entry 不为空,key 为空的过期条目。发现过期条目之后,调用 expungeStaleEntry() 去清理。

expungeStaleEntry()

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    // expunge entry at staleSlot
    // 清空 staleSlot 处的 过期 entry
    // 将 value 置空,保证不会因为这里的强引用造成 memory leak
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = null;
    size--;

    // Rehash until we encounter null
    // 继续搜索直到遇到 tab 中的空 entry
    Entry e;
    int i;
    for (i = nextIndex(staleSlot, len);
        (e = tab[i]) != null;
        i = nextIndex(i, len)) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == null) { // 搜索过程中遇到过期条目,直接清理
            e.value = null;
            tab[i] = null;
            size--;
        } else {
            // key 还没有被回收
            int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
            if (h != i) {
                tab[i] = null;

                // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                // null because multiple entries could have been stale.
                while (tab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);
                tab[h] = e;
            }
        }
    }
    return i; // 此时从 staleSlot 到 i 之间不存在过期条目
}

直接将 entry.valueentry 都置空,消除内存泄露的隐患。注意这里仅仅只是置空,并不是回收对象。因为你不知道 value 在外部的引用情况,只需要管好自己的引用就可以了。

除此之外,不甘寂寞的 expungeStaleEntry() 又发起了一次扫描,直到碰到空 Entry未知。期间遇到的过期 Entry 要置空。

整个 set() 方法就看完了,原理很简单,但是其中关于内存泄漏的预防处理十分复杂,看的我一度放弃了,也让我对源码阅读产生了一些疑问。有些时候是不是没有必要逐行去玩去完全理解?比如这一系列关于内存泄露的处理,核心思想就是清理 Entry 不为 null 但 key 为 null 的过期条目。理解了核心思想,对于其中复杂的细节处理是不是没有必要去深究?不知道你怎么看,欢迎在评论区写下你的看法。

下面来看一看 getgetEntry 方法。

getEntry()

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    if (e != null && e.get() == key) // 直接命中
        return e;
    else
        // 未直接命中,线性探测,继续往后找
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

getEntry() 比较粗暴,上来直接根据哈希值查找 table 数组,如果直接命中,就返回。未直接命中,调用 getEntryAfterMiss() 继续查找。

private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    // 向后查找直到遇到空 entry
    while (e != null) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == key) // get it
            return e;
        if (k == null) // key 等于 null,清理过期 entry
            expungeStaleEntry(i);
        else
            i = nextIndex(i, len); // 继续向后查找
        e = tab[i];
    }
    return null;
}

调用 nextIndex() 向后查找,直到遇到 空 Entry,也就是队尾:

  • k==key,说明找到了对应 Entry
  • k==null,说明遇到了过期 Entry,调用 expungeStaleEntry() 处理

对过期 Entry 的处理真的是无处不在,就是为了最大程度的降低内存泄漏发生的几率。那么有没有什么一劳永逸的办法呢?那就是 ThreadLocalMapremove() 方法。

remove()

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;
        }
    }
}

直接清除当前 ThreadLocal 对应的 Entry,根本上避免了发生内存泄露。所以,当我们不再需要使用 ThreadLocal 中的相应数据时,调用一下 remove() 方法肯定是个好习惯。

虽然在长期存活的线程(例如线程池)中使用 ThreadLocal 并发生内存泄漏是一个小概率事件,但 JDK 开发者却为此多写了很多代码。我们在使用中也要多加注意,仔细考虑是否会涉及到内存泄露的问题。

End

最后说说在网上看到的一个观点,ThreadLocal 比 Synchronized 更适合解决线程同步问题。

首先这个问题本身就不是那么严谨。ThreadLocal 是用来解决线程同步问题的吗?表面上看,ThreadLocal 的机制的确是线程安全的,但它并不是为了解决多线程访问同一个变量的竞争问题,而是给每一个线程都提供单独的变量,有些文章称之为 数据备份,但它们并不是备份,每一个都是独立存在的,互不干扰,并不存在什么同步问题。

ThreadLocalSynchronized 的应用场景也是千差万别的。例如银行的转账场景,涉及多个账户同时转账的多线程同步问题,ThreadLocal 根本就没法解决,即使每个线程都单独保存着用户的余额也没法解决并发问题。ThreadLocal 在 Android 中的典型应用就是 Looper,每个线程都有自己的 Looper 对象,它们都是独立工作,互不干扰的。

关于 ThreadLocal 就说到这里了。后续分享的方向主要集中在两块,一方面是 AOSP 源码的阅读和解析,另一方面是 Kotlin 和 Java 相关特性的对比,敬请期待!

文章首发微信公众号: 秉心说 , 专注 Java 、 Android 原创知识分享,LeetCode 题解。

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posted @ 2019-09-10 22:44 秉心说 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏