王有志，一个分享硬核Java技术的互金摸鱼侠
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好久不见，不知道大家新年过得怎么样？有没有痛痛快快得放松？是不是还能收到很多压岁钱？好了，话不多说，我们开始今天的主题：ThreadLocal。
我收集了4个面试中出现频率较高的关于ThreadLocal的问题：
- 什么是ThreadLocal？什么场景下使用ThreadLocal？
- ThreadLocal的底层是如何实现的？
- ThreadLocal在什么情况下会出现内存泄漏？
- 使用ThreadLocal要注意哪些内容？
我们先从一个“谣言”开始，通过分析ThreadLocal的源码，尝试纠正“谣言”带来的误解，并解答上面的问题。
流传已久的“谣言”
很多文章都在说“ThreadLocal通过拷贝共享变量的方式解决并发安全问题”，例如：
这种说法并不准确，很容易让人误解为ThreadLocal会拷贝共享变量。来看个例子：
private static final DateFormat DATE_FORMAT = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");public static void main(String[] args) throws InterruptedException {for (int i = 0; i < 1000; i++) {new Thread(() -> {try {System.out.println(DATE_FORMAT.parse("2023-01-29"));} catch (ParseException e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
我们知道，多线程并发访问同一个DateFormat实例对象会产生严重的并发安全问题，那么加入ThreadLocal是不是能解决并发安全问题呢？修改下代码：
/*** 第一种写法*/private static final ThreadLocal<DateFormat> DATE_FORMAT_THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>() {@Overrideprotected DateFormat initialValue() {return DATE_FORMAT;}};public static void main(String[] args) throws InterruptedException {for (int i = 0; i < 1000; i++) {new Thread(() -> {try {System.out.println(DATE_FORMAT_THREAD_LOCAL.get().parse("2023-01-29"));} catch (ParseException e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
估计会有很多小伙伴会说：“你这么写不对！《阿里巴巴Java开发手册》中不是这么用的！”。把书中的用法搬过来：
/*** 第二种写法*/private static final ThreadLocal<DateFormat> DATE_FORMAT_THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>() {@Overrideprotected DateFormat initialValue() {return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");}};
Tips：代码小改了一下~~
我们来看两种写法的差别：
- 第一种写法，
ThreadLocal#initialValue时使用共享变量DATE_FORMAT； - 第二种写法，
ThreadLocal#initialValue时创建SimpleDateFormat对象。
按照“谣言”的描述，第一种写法会拷贝DATE_FORMAT的副本提供给不同的线程使用，但从结果上来看ThreadLocal并没有这么做。
有的小伙伴可能会怀疑是因为DATE_FORMAT_THREAD_LOCAL线程共享导致的，但别忘了第二种写法也是线程共享的。
到这里我们应该能够猜到，第二种写法中每个线程会访问不同的SimpleDateFormat实例对象，接下来我们通过源码一探究竟。
ThreadLocal的实现
除了使用ThreadLocal#initialValue外，还可以通过ThreadLocal#set添加变量后再使用：
ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal = new ThreadLocal<>();threadLocal.set(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd"));System.out.println(threadLocal.get().parse("2023-01-29"));
Tips：这么写仅仅是为了展示用法~~
使用ThreadLocal非常简单，3步就可以完成：
- 创建对象
- 添加变量
- 取出变量
无参构造器没什么好说的（空实现），我们从ThreadLocal#set开始。
ThreadLocal#set的实现
ThreadLocal#set的源码：
public void set(T value) {Thread t = Thread.currentThread();// 获取当前线程的ThreadLocalMapThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null) {// 添加变量map.set(this, value);} else {// 初始化ThreadLocalMapcreateMap(t, value);}}
ThreadLocal#set的源码非常简单，但却透露出了不少重要的信息：
- 变量存储在ThreadLocalMap中，且与当前线程有关；
- ThreadLocalMap应该类似于Map的实现。
接着来看源码：
public class ThreadLocal<T> {ThreadLocalMap getMap(Thread t) {return t.threadLocals;}void createMap(Thread t, T firstValue) {t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);}}public class Thread implements Runnable {ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;}
很清晰的展示出ThreadLocalMap与Thread的关系：ThreadLocalMap是Thread的成员变量，每个Thread实例对象都拥有自己的ThreadLocalMap。
另外，还记得在关于线程你必须知道的8个问题（上）提到Thread实例对象与执行线程的关系吗？
如果从Java的层面来看，可以认为创建Thread类的实例对象就完成了线程的创建，而调用Thread.start0可以认为是操作系统层面的线程创建和启动。
可以近似的看作是：
也就是说，属于Thread实例对象的ThreadLocalMap也属于每个执行线程。
基于以上内容，我们好像得到了一个特殊的变量作用域：属于线程。
Tips：
- 实际上属于线程也即是属于Thread实例对象，因为Thread是线程在Java中的抽象；
ThreadLocalMap属于线程，但不代表存储到ThreadLocalMap的变量属于线程。
ThreadLocalMap的实现
ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，代码也不复杂：
public class ThreadLocal<T> {private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();static class ThreadLocalMap {static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {Object value;Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {super(k);value = v;}}private Entry[] table;private int size = 0;private int threshold;private void setThreshold(int len) {threshold = len * 2 / 3;}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);}}}
仅从结构和构造方法中已经能够窥探到ThreadLocalMap的特点：
ThreadLocalMap底层存储结构是Entry数组；
- 通过ThreadLocal的哈希值取模定位数组下标；
- 构造方法添加变量时，存储的是原始变量。
很明显，ThreadLocalMap是哈希表的一种实现，ThreadLocal作为Key，我们可以将ThreadLocalMap看做是“简版”的HashMap。
Tips：
- 本文不讨论哈希表实现中处理哈希冲突，数组扩容等问题的方式；
- 也不需要关注
ThreadLocalMap#set和ThreadLocalMap#getgetEntry的实现； - 与构造方法一样，ThreadLocalMap#set中存储的是原始变量。
到目前为止，无论是ThreadLocalMap#set还是ThreadLocalMap的构造方法，都是存储原始变量，没有任何拷贝副本的操作。也就是说，想要通过ThreadLocal实现变量在线程间的隔离，就需要手动为每个线程创建自己的变量。
ThreadLocal#get的实现
ThreadLocal#get的源码也非常简单：
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();}
前面的部分很容易理解，我们看map == null时调用的ThreadLocal#setInitialValue方法：
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);}if (this instanceof TerminatingThreadLocal) {TerminatingThreadLocal.register((TerminatingThreadLocal<?>) this);}return value;}
ThreadLocal#setInitialValue方法几乎和ThreadLocal#set一样，但变量是通过ThreadLocal#initialValue获得的。如果是通过ThreadLocal#initialValue添加变量，在第一次调用ThreadLocal#get时将变量存储到ThreadLocalMap中。
ThreadLocal的原理
好了，到这里我们已经可以构建出对ThreadLocal比较完整的认知了。我们先来看ThreadLocal，ThreadLocalMap和Thread三者之间的关系：
可以看到，ThreadLocal是作为ThreadLocalMap中的Key的，而ThreadLocalMap又是Thread中的成员变量，属于每一个Thread实例对象。忘记ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类这层关系，整体结构就会非常清晰。
创建ThreadLocal对象并存储数据时，会为每个Thread对象创建ThreadLocalMap对象并存储数据，ThreadLocal对象作为Key。在每个Thread对象的生命周期内，都可以通过ThreadLocal对象访问到存储的数据。
到底是“谣言”吗？
那么“ThreadLocal通过拷贝共享变量的方式解决并发安全问题”是“谣言”吗？
我认为是的。ThreadLoal不会拷贝共享变量，它能“解决”并发安全问题的原理很简单，要求开发者为每个线程“发”一个变量，即变量本身就是线程隔离的。接近于以下写法：
public static Date parseDate(String dateStr) throws ParseException {return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd").parse(dateStr);}
那这还能算是ThreadLocal去解决并发安全问题吗？
Tips：Stack Overflow上也有关于“谣言”的讨论。
既然不是解决共享变量并发安全问题的，那么ThreadLocal有什么用？我认为最主要的功能就是跳过方法的参数列表在线程内传递参数。举个例子：Dubbo借鉴Netty的FastThreadLocal，搞了InternalThreadLocal，用来隐式传递参数。
ThreadLocal的内存泄漏
在ThreadLocalMap的源码中可以看到，Entry继承自WeakReference，并且会将ThreadLocal添加到弱引用队列中：
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {Object value;Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {super(k);value = v;}}
我们知道，弱引用关联的对象只能存活到下一次GC。如果ThreadLocal没有关联任何强引用，只有Entry上的弱引用的话，发生一次GC后ThreadLocal就会被回收，就会存在ThreadLocalMap上关联Entry，但Entry上没有Key的情况：
此时Value依旧关联在ThreadLocalMap上，但无法通过常规手段访问，造成内存泄漏。虽然线程销毁后会释放内存，但在线程执行期间，始终有一块无法访问的内存被占用。
避免内存泄漏
为了避免内存泄漏，Java建议设置静态ThreadLocal变量，保证一直存在与之关联的强引用：
ThreadLocal instances are typically private static fields in classes.
另外，ThreadLocal自身也做了一些努力去清除这些没有Key的Entry，如：
ThreadLocalMap#getEntry调用ThreadLocalMap#getEntryAfterMiss；ThreadLocalMap#set调用ThreadLocalMap#replaceStaleEntry。
这些方法中都会尝试清除无用的Entry，只是触发条件较为苛刻，实际作用较小。
除此之外，开发者主动调用ThreadLocal#remove清除无用变量才是正确使用ThreadLocal的方式。
ThreadLocal的注意事项
除了需要关注ThreadLocal的内存泄漏外，我们需要关注另外一种场景：线程池中使用ThreadLocal。
通常线程池不会销毁线程，因此在线程池中使用ThreadLcoal，且没有正确执行ThreadLocal#remove的话，线程中会一直存在ThreadLocal关联的Value，那么就需要考虑清楚，这次的ThreadLocal对下一是否还适用？
结语
ThreadLocal的内容到这里就结束了，使用方法，实现原理，包括内存泄漏都还是比较简单的。不过有一点比较难搞，因为有太多人去写“ThreadLocal通过拷贝共享变量的方式解决并发安全问题”，导致很多人认为这是ThreadLocal的核心功能，所以无法确认坐在对面的面试官是如何理解ThreadLocal的。
我也思考了“谣言”是如何产生的，大概有两点：
第一，《阿里巴巴Java开发手册》中使用ThreadLocal解决了DateFormat的并发安全问题，表现上看是ThreadLocal的能力，实际上是开发者自身保证了每个线程使用不同的DateFormat实例对象。
第二，ThreadLocal的注释中，提到了一句“independently initialized copy of the variable.”，搞得大家以为ThreadLocal会拷贝共享变量给线程使用。
如果真的遇到了这样面试官，那只能”见人说人话“了。
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