深入浅出的学习Java ThreadLocal

前言

threadlocal为变量在每个线程中都创建了一个副本，所以每个线程可以访问自己内部的副本变量，不同线程之间不会互相干扰。本文会基于实际场景介绍threadlocal如何使用以及内部实现机制。

应用场景

parameter对象的数据需要在多个模块中使用，如果采用参数传递的方式，显然会增加模块之间的耦合性。先看看用threadlocal是如何实现模块间共享数据的。

class parameter {
 private static threadlocal<parameter> _parameter= new threadlocal<>();
 public static parameter init() {
 _parameter.set(new parameter());
 }
 public static parameter get() {
 _parameter.get();
 }
 ...省略变量声明
}

1. 在模块a中通过parameter.init初始化。
2. 在模块b或模块c中通过parameter.get方法可以获得同一线程中模块a已经初始化的parameter对象。

实现原理

从线程thread的角度来看，每个线程内部都会持有一个对threadlocalmap实例的引用，threadlocalmap实例相当于线程的局部变量空间，存储着线程各自的数据，具体如下：

 

entry

entry继承自weakreference类，是存储线程私有变量的数据结构。threadlocal实例作为引用，意味着如果threadlocal实例为null，就可以从table中删除对应的entry。

class entry extends weakreference<threadlocal<?>> {
 object value;
 entry(threadlocal<?> k, object v) {
 super(k);
 value = v;
 }
}

threadlocalmap

内部使用table数组存储entry，默认大小initial_capacity(16)，先介绍几个参数：

• size：table中元素的数量。
• threshold：table大小的2/3，当size >= threshold时，遍历table并删除key为null的元素，如果删除后size >= threshold*3/4时，需要对table进行扩容。

threadlocal.set() 实现

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;
}

从上面代码中看出来：

1. 从当前线程thread中获取threadlocalmap实例。
2. threadlocal实例和value封装成entry。

接下去看看entry存入table数组如何实现的：

private void set(threadlocal<?> key, object value) {
 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)]) {
 threadlocal<?> k = e.get();
 if (k == key) {
 e.value = value;
 return;
 }
 if (k == null) {
 replacestaleentry(key, value, i);
 return;
 }
 }
 tab[i] = new entry(key, value);
 int sz = ++size;
 if (!cleansomeslots(i, sz) && sz >= threshold)
 rehash();
}

1.通过threadlocal的nexthashcode方法生成hash值。

private static atomicinteger nexthashcode = new atomicinteger();
private static int nexthashcode() { 
 return nexthashcode.getandadd(hash_increment);
}

从nexthashcode方法可以看出，threadlocal每实例化一次，其hash值就原子增加hash_increment。

2.通过 hash & (len -1) 定位到table的位置i，假设table中i位置的元素为f。

3.如果f != null，假设f中的引用为k：

• 如果k和当前threadlocal实例一致，则修改value值，返回。
• 如果k为null，说明这个f已经是stale(陈旧的)的元素。调用replacestaleentry方法删除table中所有陈旧的元素（即entry的引用为null）并插入新元素，返回。
• 否则通过nextindex方法找到下一个元素f，继续进行步骤3。

4.如果f == null，则把entry加入到table的i位置中。

5.通过cleansomeslots删除陈旧的元素，如果table中没有元素删除，需判断当前情况下是否要进行扩容。

table扩容

如果table中的元素数量达到阈值threshold的3/4，会进行扩容操作，过程很简单：

private void resize() {
 entry[] oldtab = table;
 int oldlen = oldtab.length;
 int newlen = oldlen * 2;
 entry[] newtab = new entry[newlen];
 int count = 0;
 for (int j = 0; j < oldlen; ++j) {
 entry e = oldtab[j];
 if (e != null) {
 threadlocal<?> k = e.get();
 if (k == null) {
 e.value = null; // help the gc
 } else {
 int h = k.threadlocalhashcode & (newlen - 1);
 while (newtab[h] != null)
 h = nextindex(h, newlen);
 newtab[h] = e;
 count++;
 }
 }
 }
 setthreshold(newlen);
 size = count;
 table = newtab;
}

1. 新建新的数组newtab，大小为原来的2倍。
2. 复制table的元素到newtab，忽略陈旧的元素，假设table中的元素e需要复制到newtab的i位置，如果i位置存在元素，则找下一个空位置进行插入。

threadlocal.get() 实现

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();
}
private entry getentry(threadlocal<?> key) {
 int i = key.threadlocalhashcode & (table.length - 1);
 entry e = table[i];
 if (e != null && e.get() == key)
 return e;
 else
 return getentryaftermiss(key, i, e);
}

获取当前的线程的threadlocals。

1. 如果threadlocals不为null，则通过threadlocalmap.getentry方法找到对应的entry，如果其引用和当前key一致，则直接返回，否则在table剩下的元素中继续匹配。
2. 如果threadlocals为null，则通过setinitialvalue方法初始化，并返回。

private entry getentryaftermiss(threadlocal<?> key, int i, entry e) {
 entry[] tab = table;
 int len = tab.length;
 while (e != null) {
 threadlocal<?> k = e.get();
 if (k == key)
 return e;
 if (k == null)
 expungestaleentry(i);
 else
 i = nextindex(i, len);
 e = tab[i];
 }
 return null;
}

总结

希望通过本文的介绍，大家可以对threadlocal有一个更加直观清晰的认识。

以上就是本文的全部内容，希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助，同时也希望多多支持！