ThreadLocal是什么？

ThreadLocal是Java中的一個類，用于創建線程局部變量和解決線程安全。每個線程都有自己獨立的變量副本，彼此之間互不影響。它的主要作用是在多線程環境下，確保每個線程都有自己的變量實例，避免了變量共享帶來的線程安全問題。

ThreadLocal 的主要功能

1. 線程局部變量：每個線程都有自己的變量副本，互不干擾。
2. 線程安全：避免了多線程環境下的競爭和沖突。

ThreadLocal 的核心方法

• Thread.currentThread()獲取當前線程。
• getMap(t)獲取當前線程的ThreadLocalMap。
• map.getEntry(this)從ThreadLocalMap中獲取以當前ThreadLocal為鍵的條目（Entry）。
• 如果條目存在，返回其值；否則調用setInitialValue()進行初始化。

set(T value)

set(T value) 方法用于設置當前線程的局部變量值，具體實現如下：

public void set(T value) {Thread t = Thread.currentThread();ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null)map.set(this, value);elsecreateMap(t, value);
}

• Thread.currentThread()獲取當前線程。
• getMap(t)獲取當前線程的ThreadLocalMap。
• 如果ThreadLocalMap存在，調用map.set(this, value)設置值；否則調用createMap(t, value)創建一個新的ThreadLocalMap。

remove()

remove() 方法用于移除當前線程的局部變量值，具體實現如下：

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

• 獲取當前線程的ThreadLocalMap。
• 如果ThreadLocalMap存在，調用m.remove(this)移除條目。

ThreadLocal 的典型使用場景

1. 用戶會話管理：在web應用中，存儲與當前線程（用戶請求）相關的信息，如用戶會話、請求上下文等。
2. 數據庫連接：為每個線程分配獨立的數據庫連接，避免連接共享帶來的線程安全問題。
3. 事務管理：存儲與當前線程相關的事務信息，如事務狀態、事務ID等。
4. 格式化工具：存儲與當前線程相關的工具實例，如SimpleDateFormat，避免工具共享帶來的線程安全問題。

ThreadLocal 的實現原理

ThreadLocal 是 Java 中用于實現線程局部變量的類，它為每個線程提供一個獨立的變量副本。實現這一點的關鍵在于每個線程都有一個 ThreadLocalMap 對象，ThreadLocalMap 類似于一個哈希表，存儲了當前線程所對應的所有 ThreadLocal 變量及其值。理解 ThreadLocal 的實現原理，需要深入探討其核心機制及內部結構。以下是詳細的解釋：

1. ThreadLocal 類的基本結構

ThreadLocal 類本身非常簡單，主要包含以下幾個重要的方法：

• get(): 獲取當前線程的局部變量值。
• set(T value): 設置當前線程的局部變量值。
• remove(): 移除當前線程的局部變量值。

這些方法都依賴于每個線程獨有的 ThreadLocalMap。

2. ThreadLocalMap

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的一個靜態內部類，它是一個自定義的哈希表，用于存儲線程局部變量。每個線程都有一個 ThreadLocalMap 實例，存儲在線程對象中。其實現機制如下：

• 存儲位置：ThreadLocalMap存儲在每個線程的Thread對象中，具體來說，ThreadLocalMap是Thread類的一個實例變量：

public class Thread {// 部分源碼省略.../* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained* by the ThreadLocal class. */ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;// 部分源碼省略...
}

• 鍵和值：ThreadLocalMap的鍵是ThreadLocal對象，值是實際存儲的數據，類型為Object。為了避免ThreadLocal對象的內存泄漏，ThreadLocalMap的鍵使用的是弱引用（WeakReference<ThreadLocal<?>>）。

3. ThreadLocalMap 的內部結構

ThreadLocalMap 是一個自定義的哈希表，主要包含以下結構：

• Entry：ThreadLocalMap的內部靜態類，用于存儲鍵值對。鍵是弱引用的ThreadLocal對象，值是實際數據。而Entry是以數組的形式存在，在源碼中的體現就是Entry數組成員變量table（private Entry[] table;），也就是說每個ThreadLocalMap可以保存多個ThreadLocal作為鍵，值可以設置為任意你想與該ThreadLocal進行關聯的值（）。

/*** ThreadLocalMap is a customized hash map suitable only for* maintaining thread local values. No operations are exported* outside of the ThreadLocal class. The class is package private to* allow declaration of fields in class Thread.  To help deal with* very large and long-lived usages, the hash table entries use* WeakReferences for keys. However, since reference queues are not* used, stale entries are guaranteed to be removed only when* the table starts running out of space.*/
static class ThreadLocalMap{/*** The entries in this hash map extend WeakReference, using* its main ref field as the key (which is always a* ThreadLocal object).  Note that null keys (i.e. entry.get()* == null) mean that the key is no longer referenced, so the* entry can be expunged from table.  Such entries are referred to* as "stale entries" in the code that follows.*/static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {/** The value associated with this ThreadLocal. */Object value;Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {super(k);value = v;}}/*** 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;// 部分源碼省略...
}

• 哈希沖突處理：ThreadLocalMap使用線性探測法解決哈希沖突。當發生哈希沖突時，會依次檢查下一個位置，直到找到空位置或匹配的鍵。
• 垃圾回收：由于鍵是弱引用，當ThreadLocal對象沒有其他強引用時，會被垃圾回收器回收。此時，ThreadLocalMap的鍵會變成null，但值仍然存在。因此，需要顯式地調用remove()方法或依賴ThreadLocalMap的內部機制來清理這些條目。

4.Thread的成員變量ThreadLocalMap

每個線程 (Thread 對象) 都有一個 ThreadLocalMap 實例。具體來說，Thread 類有一個 ThreadLocalMap類型的threadLocals 字段，用于保存當前線程的 ThreadLocalMap， 也就是負責管理當前線程的變量副本。因為ThreadLocalMap可以保存多個不同的ThreadLocal對象作為鍵，值為任意內容的鍵值對，所以每個線程可以保存多個變量副本，數量上限取決于ThreadLocal對象的個數。

public
class Thread implements Runnable {// 部分源碼省略.../* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained* by the ThreadLocal class. */ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;/** InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is* maintained by the InheritableThreadLocal class.*/ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;// 部分源碼省略...
}

5. 如何為每個線程提供一個獨立的變量副本，實現線程安全？

在多線程環境中， 每個線程操作 ThreadLocal 類時，只影響到自己線程的 ThreadLocalMap 里面的內容，而不會干擾到其他線程的 ThreadLocalMap。 如果應用程序中只使用一個ThreadLocal，那么每個線程內部的 ThreadLocalMap 都保存著相同的 ThreadLocal對象作為鍵，值可以設置成任意內容。如果應用程序中使用了多個ThreadLocal，那么每個線程內部的 ThreadLocalMap 都保存著多個 ThreadLocal對象 作為鍵，值為 每個ThreadLocal對象所關聯對應的內容，每個線程也就保存了多個獨立的變量副本。因此也就實現了每個線程都有自己的獨立變量副本。

接下來我們看看ThreadLocal的set()方法和get()方法源碼

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() {// 獲取當前線程Thread t = Thread.currentThread();// 獲取當前線程的ThreadLocalMapThreadLocalMap map = getMap(t);// 如果當前線程的ThreadLocalMap不為nullif (map != null) {// 從ThreadLocalMap的Entry類型數組table中獲取以當前// ThreadLocal作為鍵的Entry實例ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);if (e != null) {// Entry實例e不為null,返回其value@SuppressWarnings("unchecked")T result = (T)e.value;return result;}}// 給當前線程t的ThreadLocalMap設置初始值return setInitialValue();
}/*** Get the entry associated with key.  This method* itself handles only the fast path: a direct hit of existing* key. It otherwise relays to getEntryAfterMiss.  This is* designed to maximize performance for direct hits, in part* by making this method readily inlinable.** @param  key the thread local object* @return the entry associated with key, or null if no such*/
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {// 計算索引值，用于在table中定位Entryint i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);// 獲取當前位置的EntryEntry e = table[i];// 檢查當前位置的Entry是否有效且其存儲的ThreadLocal對象等于keyif (e != null && e.get() == key) {// 直接命中，返回Entryreturn e;} else {// 未命中或Entry已失效，則通過getEntryAfterMiss進一步處理return getEntryAfterMiss(key, i, e);}
}

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) {// 獲取當前線程Thread t = Thread.currentThread();// 獲取當前線程的ThreadLocalMapThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null)//如果當前線程的ThreadLocalMap不為null// 設置key為當前ThreadLocal的值為valuemap.set(this, value);else//如果當前線程的ThreadLocalMap為nullcreateMap(t, value);//初始化一個ThreadLocalMap，鍵為當前ThreadLocal
}//  .../*** Create the map associated with a ThreadLocal. Overridden in* InheritableThreadLocal.** @param t the current thread* @param firstValue value for the initial entry of the map
*/
void createMap(Thread t, T firstValue) {t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

6. 內存泄露問題

由于ThreadLocalMap的鍵是弱引用，ThreadLocal對象被回收后，鍵會變成null，但值仍然保留在內存中，導致內存泄露。因此，建議在不再使用 ThreadLocal 時顯式調用 remove() 方法，以確保清理數據。

7. 總結

每個線程在使用 ThreadLocal 類時，操作的是自己線程內部的 ThreadLocalMap，這確保了線程之間的隔離：

• 獨立性：每個線程擁有自己的 ThreadLocalMap 實例，因此對 ThreadLocal 的操作不會相互干擾。
• 線程安全：由于每個線程有獨立的 ThreadLocalMap，不存在并發訪問 ThreadLocalMap 的問題，因此操作是線程安全的。

這種設計使得 ThreadLocal 非常適合在多線程環境下使用，用于存儲線程私有的變量，從而避免了線程間的數據共享問題。