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追踪解析 ThreadLocal 源码

零前期准备

0 FBI WARNING

文章异常啰嗦且绕弯。

1 版本

JDK 版本 : OpenJDK 11.0.1

IDE : idea 2018.3

2 ThreadLocal 简介

ThreadLocal 是 java 多线程中经常使用到的缓存工具，被封装在 java.lang 包下。

3 Demo

import io.netty.util.concurrent.FastThreadLocal;

public class ThreadLocalDemo {

    public static void main(String[] args) {

        //jdk 的 ThreadLocal
        ThreadLocal<String> tl = new ThreadLocal<>();
        long tlBeginTime = System.nanoTime();
        //set(...) 方法存入元素
        tl.set("test");
        //get() 方法获取元素
        String get = tl.get();
        System.out.println("tl before remove: " + get);
        //remove() 方法删除元素
        tl.remove();
        get = tl.get();
        System.out.println("tl after remove: " + get);
        System.out.println(System.nanoTime() - tlBeginTime);

        //以下代码为著名 io 框架 Netty 的 FastThreadLocal 类的使用
        //FastThreadLocal，基本的使用方法和 ThreadLocal 没有区别
        //FastThreadLocal 的实例对象创建比较慢，但是元素的获取、增、删的性能很好
        FastThreadLocal<String> fastTl = new FastThreadLocal<>();
        long fastTlBeginTime = System.nanoTime();
        fastTl.set("test");
        String fastGet = fastTl.get();
        System.out.println("tl2 before remove: " + fastGet);
        fastTl.remove();
        fastGet = fastTl.get();
        System.out.println("tl2 after remove: " + fastGet);
        System.out.println(System.nanoTime() - fastTlBeginTime);

        //此处的 Netty 使用 4.1.33.Final 的版本
        //笔者跑了一下，FastThreadLocal 的增删查操作大概比 ThreadLocal 快十倍
        //但是此处仅为简陋测试，并不严谨
    }
}

FastThreadLocal 的源码暂不展开，将来有机会单独开一章去学习。这里先理解 ThreadLocal。

一 ThreadLocalMap

在了解 ThreadLocal 的全貌之前先来理解一下 ThreadLocalMap 类。

其为 ThreadLocal 的静态内部类。虽然类名中带有 map 字样，但是实际上并不是 Map 接口的子类。

ThreadLocalMap 本质上是数组。每个 Thread 实例对象都会维护多个 ThreadLocalMap 对象：

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

但是需要注意的是，在默认情况下，线程对象的 ThreadLocalMap 对象们都是未初始化的，需要使用 createMap(...) 方法去初始化：

//ThreadLocal.class
void createMap(Thread t, T firstValue) {
    //此处 ThreadLocal 将自身作为 key 值存入了 map 中
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

可以想到的是，此处是为了提高线程的性能，而设计了一个懒加载(Lazy)的调用模式。

[但是实际上这是理想情况，对于主线程来说，Collections、StringCoding 等的工具类在 jdk 加载时期就会调用 ThreadLocal，所以 ThreadLocalMap 肯定会被创建好]

再来看一下 ThreadLocalMap 的构造方法：

//ThreadLocalMap.class
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    //Entry 是 ThreadLocalMap 的静态内部类，代表节点的对象
    //table 是一个 Entry 数组，代表链表
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    //这里调用 key 的 hash 值进行数组下标计算
    //INITIAL_CAPACITY 为常量 16
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;
    //threshold = INITIAL_CAPACITY * 2 / 3
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

Entry

Entry 是 ThreadLocalMap 的静态内部类，本质上是数组的节点 value 的封装：

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    //储存的 value 值
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        //调用父类的方法，会将 ThreadLocal 存入 Reference 中的 referent 对象中
        super(k);
        value = v;
    }
}

由上可知 Entry 继承了 WeakReference。WeakReference 是弱连接接口，这意味着如果仅有 Entry 指向某一 ThreadLocal 类，其任然有可能被 GC 回收掉。

这里使用弱连接的意义，是为了防止业务代码中置空 ThreadLocal 对象，但是由于存在连接可达，所以仍然无法回收掉该对象的情况发生。

即可以这么说，如果使用者在业务代码中存在可达的强连接引用对象，那么 ThreadLocal 永远不会被 GC 清理掉；但是如果强连接消失了，那么弱连接并不能保证它一定存活。当然换句话说，强连接消失的时候，证明使用者已经不需要这个对象了，那么它被消灭也是应该的。

二存入元素

来看一下 ThreadLocal 的 set(...) 方法：

//step 1
//ThreadLocal.class
public void set(T value) {
    //获取当前线程的实例对象
    Thread t = Thread.currentThread();
    //通过实例对象获取到 map
    //map 实际上是定义在 Thread 类中的 ThreadLocalMap 类型的对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        //存入元素
        map.set(this, value);
    } else {
        //如果 map 不存在，会在这里创建 map
        createMap(t, value);
    }
}

//step 2
//ThreadLocalMap.class
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

    //获取数组 table
    Entry[] tab = table;
    //获取长度
    int len = tab.length;
    //根据 hash 值算出下标
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    for (Entry e = tab[i];
            e != null;
            e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        //nextIndex(...) 方法获取数组的下一个下标的元素
        //基本等同于 i + 1，但是一般情况下不需要用到

        //从节点中获取 ThreadLocal 对象
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        //正常情况下 k == key，第一次存值的时候 value = null
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }

        //正常情况下不会出现
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    //进入此处语句的条件是 k 并不为 null，且 key 不等于数组内现存的所有 ThreadLocal
    //则在此处符合要求的下标处新建一个节点，并添加到 table 数组中
    //注意，这里其实是覆盖操作，会覆盖掉之前在此下标处的节点
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

三获取元素

来看一下 ThreadLocal 的 get() 方法：

//step 1
//ThreadLocal.class
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;
        }
    }
    //map 为 null 的情况下会进入该方法
    //此处会将 null 作为 value，当前 ThreadLocal 作为 key，传入 ThreadLocalMap 中
    return setInitialValue();
}

//step 2
//ThreadLocalMap.class
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    //算出下标值
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    //获取节点
    Entry e = table[i];
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
        //此处会轮询整个数组去寻找，实在找不到会返回 null
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

基本逻辑和 set(...) 方法差不多，不多赘述。

四移除元素

来看一下 ThreadLocal 的 remove() 方法：

//step 1
//ThreadLocalMap.class
public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null) {
        //调用 ThreadLocalMap 的 remove(...) 方法
        m.remove(this);
    }
}

//step 2
//ThreadLocalMap.class
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    //算出下标
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    for (Entry e = tab[i];
            e != null;
            e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        //此处是一个和 set(...) 中很像的轮询方法
        //比对 key 值，如果相等的话会调用 clear() 方法清理掉
        if (e.get() == key) {
            e.clear();
            //此方法用于清理 key 值为 null 的节点
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}

//step 3
//Reference.class
public void clear() {
    //Reference 是 WeakReference 的父类，即也就是 Entry 的父类
    //将值置空
    this.referent = null;
}

五 ThreadLocal 的 hash 值

上述方法多次使用到了用 hash 去计算数组下标的操作。如果不同 ThreadLocal 的 hash 值相同，那么就会造成计算出来的下标相同，会相互影响存入的值。

所以 ThreadLocal 的 hash 值一定不能相同。

在 ThreadLocal 中，hash 值是一个 int 类型的变量：

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

其调用了静态方法 nextHashCode() 去产生 hash 值：

//ThreadLocal.class
private static int nextHashCode() {
    //HASH_INCREMENT = 0x61c88647 (一个很神奇的用来解决 hash 冲突的数字)
    //nextHashCode 是一个定义在 ThreadLocal 中的静态 AtomicInteger 类型变量
    //getAndAdd(...) 方法会每次给 nextHashCode 的值加上 HASH_INCREMENT 的值，并返回最终的相加结果值
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}

jdk9 以后官方应该比较希望使用 VarHandler 类来取代 Atomic 类，所以在不久的未来，很可能相关方法会有一些变动。