ThreadLocal以及内存泄漏

ThreadLocal是什么

ThreadLocal 的作用是提供线程内的局部变量，这种变量在线程的生命周期内起作用，减少同一个线程内多个函数或者组件之间一些公共变量的传递的复杂度。但是如果滥用ThreadLocal，就可能会导致内存泄漏。

ThreadLocal的实现是这样的：每个Thread 维护一个 ThreadLocalMap 映射表，这个映射表的 key 是 ThreadLocal实例本身，value 是真正需要存储的 Object。

也就是说 ThreadLocal 本身并不存储值，它只是作为一个 key 来让线程从 ThreadLocalMap 获取 value。值得注意的是图中的虚线，表示 ThreadLocalMap 是使用 ThreadLocal 的弱引用作为 Key 的，弱引用的对象在 GC 时会被回收。

从数据结构入手

下图为ThreadLocal的内部结构图

 

ThreadLocal结构内部

从上面的结构图，我们已经窥见ThreadLocal的核心机制：

• 每个Thread线程内部都有一个ThreadLocalMap。
• Map里面存储线程本地对象（key）和线程的变量副本（value）
• 但是，Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变量值。

所以对于不同的线程，每次获取副本值时，别的线程并不能获取到当前线程的副本值，形成了副本的隔离，互不干扰。

Thread线程内部的Map在类中描述如下：

public class Thread implements Runnable {
    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

深入解析ThreadLocal

ThreadLocal类提供如下几个核心方法：

public T get()
public void set(T value)
public void remove()

• get()方法用于获取当前线程的副本变量值。
• set()方法用于保存当前线程的副本变量值。
• initialValue()为当前线程初始副本变量值。
• remove()方法移除当前前程的副本变量值。

get()方法

/**
 * Returns the value in the current thread's copy of this
 * thread-local variable.  If the variable has no value for the
 * current thread, it is first initialized to the value returned
 * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
 *
 * @return the current thread's value of this thread-local
 */
public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null)
            return (T)e.value;
    }
    return setInitialValue();
}

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

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;
}

protected T initialValue() {
    return null;
}

步骤：
1.获取当前线程的ThreadLocalMap对象threadLocals
2.从map中获取线程存储的K-V Entry节点。
3.从Entry节点获取存储的Value副本值返回。
4.map为空的话返回初始值null，即线程变量副本为null，在使用时需要注意判断NullPointerException。

set()方法

/**
 * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
 * to the specified value.  Most subclasses will have no need to
 * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
 * method to set the values of thread-locals.
 *
 * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
 *        this thread-local.
 */
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

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

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

步骤：
1.获取当前线程的成员变量map
2.map非空，则重新将ThreadLocal和新的value副本放入到map中。
3.map空，则对线程的成员变量ThreadLocalMap进行初始化创建，并将ThreadLocal和value副本放入map中。

remove()方法

/**
 * Removes the current thread's value for this thread-local
 * variable.  If this thread-local variable is subsequently
 * {@linkplain #get read} by the current thread, its value will be
 * reinitialized by invoking its {@link #initialValue} method,
 * unless its value is {@linkplain #set set} by the current thread
 * in the interim.  This may result in multiple invocations of the
 * <tt>initialValue</tt> method in the current thread.
 *
 * @since 1.5
 */
public void remove() {
 ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
 if (m != null)
     m.remove(this);
}

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

remove方法比较简单，不做赘述。

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，没有实现Map接口，用独立的方式实现了Map的功能，其内部的Entry也独立实现。

 

ThreadLocalMap类图

在ThreadLocalMap中，也是用Entry来保存K-V结构数据的。但是Entry中key只能是ThreadLocal对象，这点被Entry的构造方法已经限定死了。

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

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

Entry继承自WeakReference（弱引用，生命周期只能存活到下次GC前），但只有Key是弱引用类型的，Value并非弱引用。

ThreadLocalMap的成员变量：

static class ThreadLocalMap {
    /**
     * The initial capacity -- MUST be a power of two.
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * The table, resized as necessary.
     * table.length MUST always be a power of two.
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * The number of entries in the table.
     */
    private int size = 0;

    /**
     * The next size value at which to resize.
     */
    private int threshold; // Default to 0
}

Hash冲突怎么解决

和HashMap的最大的不同在于，ThreadLocalMap结构非常简单，没有next引用，也就是说ThreadLocalMap中解决Hash冲突的方式并非链表的方式，而是采用线性探测的方式，所谓线性探测，就是根据初始key的hashcode值确定元素在table数组中的位置，如果发现这个位置上已经有其他key值的元素被占用，则利用固定的算法寻找一定步长的下个位置，依次判断，直至找到能够存放的位置。

ThreadLocalMap解决Hash冲突的方式就是简单的步长加1或减1，寻找下一个相邻的位置。

/**
 * Increment i modulo len.
 */
private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

/**
 * Decrement i modulo len.
 */
private static int prevIndex(int i, int len) {
    return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}

显然ThreadLocalMap采用线性探测的方式解决Hash冲突的效率很低，如果有大量不同的ThreadLocal对象放入map中时发送冲突，或者发生二次冲突，则效率很低。

ThreadLocal内存泄漏

首先,让我们看看在threadlocal的生命周期中,都存在哪些引用吧. 看下图: 实线代表强引用,虚线代表弱引用.

从中可以看出,弱引用只存在于key上,所以key会被回收. 而value还存在着强引用.只有thead退出以后,value的强引用链条才会断掉.

由于ThreadLocalMap的key是弱引用，而Value是强引用。这就导致了一个问题，ThreadLocal在没有外部对象强引用时，发生GC时弱引用Key会被回收，而Value不会回收，如果创建ThreadLocal的线程一直持续运行，那么这个Entry对象中的value就有可能一直得不到回收，发生内存泄露。

WeakReference是Java语言规范中为了区别直接的对象引用（程序中通过构造函数声明出来的对象引用）而定义的另外一种引用关系。WeakReference标志性的特点是：reference实例不会影响到被应用对象的GC回收行为（即只要对象被除WeakReference对象之外所有的对象解除引用后，该对象便可以被GC回收），只不过在被对象回收之后，reference实例想获得被应用的对象时程序会返回null。

理解了WeakReference之后，ThreadLocalMap使用它的目的也相对清晰了：当threadLocal实例可以被GC回收时，系统可以检测到该threadLocal对应的Entry是否已经过期（根据reference.get() == null来判断，如果为true则表示过期，程序内部称为stale slots）来自动做一些清除工作，否则如果不清除的话容易产生内存无法释放的问题：value对应的对象即使不再使用，但由于被threadLocalMap所引用导致无法被GC回收。实际代码中，ThreadLocalMap会在set，get以及resize等方法中对stale slots做自动删除（set以及get不保证所有过期slots会在操作中会被删除，而resize则会删除threadLocalMap中所有的过期slots）。当然将threadLocal对象设置为null并不能完全避免内存泄露对象，最安全的办法仍然是调用ThreadLocal的remove方法，来彻底避免可能的内存泄露。

关于ThreadLocal是否会引起内存泄漏也是一个比较有争议性的问题，其实就是要看对内存泄漏的准确定义是什么。
认为ThreadLocal会引起内存泄漏的说法是因为如果一个ThreadLocal对象被回收了，我们往里面放的value对于【当前线程->当前线程的threadLocals(ThreadLocal.ThreadLocalMap对象）->Entry数组->某个entry.value】这样一条强引用链是可达的，因此value不会被回收。
认为ThreadLocal不会引起内存泄漏的说法是因为ThreadLocal.ThreadLocalMap源码实现中自带一套自我清理的机制。

之所以有关于内存泄露的讨论是因为在有线程复用如线程池的场景中，一个线程的寿命很长，大对象长期不被回收影响系统运行效率与安全。如果线程不会复用，用完即销毁了也不会有ThreadLocal引发内存泄露的问题。《Effective Java》一书中的第6条对这种内存泄露称为unintentional object retention(无意识的对象保留）。

当我们仔细读过ThreadLocalMap的源码，我们可以推断，如果在使用的ThreadLocal的过程中，显式地进行remove是个很好的编码习惯，这样是不会引起内存泄漏。
那么如果没有显式地进行remove呢？只能说如果对应线程之后调用ThreadLocal的get和set方法都有很高的概率会顺便清理掉无效对象，断开value强引用，从而大对象被收集器回收。

但无论如何，我们应该考虑到何时调用ThreadLocal的remove方法。一个比较熟悉的场景就是对于一个请求一个线程的server如tomcat，在代码中对web api作一个切面，存放一些如用户名等用户信息，在连接点方法结束后，再显式调用remove。

如何避免泄漏
既然Key是弱引用，那么我们要做的事，就是在调用ThreadLocal的get()、set()方法时完成业务逻辑后再调用remove方法，将Entry节点和Map的引用关系移除，这样整个Entry对象在GC Roots分析后就变成不可达了，下次GC的时候就可以被回收。

如果使用ThreadLocal的set方法之后，没有显示的调用remove方法，就有可能发生内存泄露，所以养成良好的编程习惯十分重要，使用完ThreadLocal之后，记得调用remove方法。

ThreadLocal<Session> threadLocal = new ThreadLocal<Session>();
try {
    threadLocal.set(new Session(1, "Misout的博客"));
    // 其它业务逻辑
} finally {
    threadLocal.remove();
}

对于没有使用线程池的方法来说，因为每次线程运行完就退出了，Map里面引用的所有对象都会被垃圾回收，所以没有关系。
可是，在实际使用中我们都是会用线程池去维护我们的线程，比如在Executors.newFixedThreadPool()时创建线程的时候，为了复用线程是不会结束的，所以threadLocal内存泄漏就值得我们关注。

应用场景

举例：Hibernate 的 ThreadLocal模式管理 Session

private static final ThreadLocal<Session> threadLocal = new ThreadLocal<Session>();

//获取Session
public static Session getCurrentSession(){
    Session session =  threadLocal.get();
    //判断Session是否为空，如果为空，将创建一个session，并设置到本地线程变量中
    try {
        if(session ==null&&!session.isOpen()){
            if(sessionFactory==null){
                rbuildSessionFactory();// 创建Hibernate的SessionFactory
            }else{
                session = sessionFactory.openSession();
            }
        }
        threadLocal.set(session);
    } catch (Exception e) {
        // TODO: handle exception
    }

    return session;
}

为什么？每个线程访问数据库都应当是一个独立的Session会话，如果多个线程共享同一个Session会话，有可能其他线程关闭连接了，当前线程再执行提交时就会出现会话已关闭的异常，导致系统异常。使用threadlocal每个线程一个session能避免线程争抢Session，提高并发下的安全性。

使用ThreadLocal的典型场景正如上面的数据库连接管理，线程会话管理等场景，只适用于独立变量副本的情况，如果变量为全局共享的，则不适用在高并发下使用。

总结

• 每个ThreadLocal只能保存一个变量副本，如果想要上线一个线程能够保存多个副本以上，就需要创建多个ThreadLocal。
• ThreadLocal内部的ThreadLocalMap键为弱引用，会有内存泄漏的风险。
• 适用于无状态，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，需要另寻解决方案。

至此，可能大部分朋友已经明白了ThreadLocal是如何为每个线程创建变量的副本的：

　　首先，在每个线程Thread内部有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量threadLocals，这个threadLocals就是用来存储实际的变量副本的，键值为当前ThreadLocal变量，value为变量副本（即T类型的变量）。

　　初始时，在Thread里面，threadLocals为空，当通过ThreadLocal变量调用get()方法或者set()方法，就会对Thread类中的threadLocals进行初始化，并且以当前ThreadLocal变量为键值，以ThreadLocal要保存的副本变量为value，存到threadLocals。

　　然后在当前线程里面，如果要使用副本变量，就可以通过get方法在threadLocals里面查找。

　　下面通过一个例子来证明通过ThreadLocal能达到在每个线程中创建变量副本的效果：

public class Test {
    ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();
    ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();
 
     
    public void set() {
        longLocal.set(Thread.currentThread().getId());
        stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());
    }
     
    public long getLong() {
        return longLocal.get();
    }
     
    public String getString() {
        return stringLocal.get();
    }
     
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Test test = new Test();
         
         
        test.set();
        System.out.println(test.getLong());
        System.out.println(test.getString());
     
         
        Thread thread1 = new Thread(){
            public void run() {
                test.set();
                System.out.println(test.getLong());
                System.out.println(test.getString());
            };
        };
        thread1.start();
        thread1.join();
         
        System.out.println(test.getLong());
        System.out.println(test.getString());
    }
}