ThreadLocal实现原理和内存泄漏问题

1.概述

ThreadLocal不是为了解决多线程访问共享变量，而是为每个线程创建一个单独的变量副本，变量在多线程环境下访问(通过get或set方法访问)时能保证各个线程里的变量相对独立于其他线程内的变量，ThreadLocal实例通常来说都是private static类型。

2.实现原理

ThreadLocal可以看做是一个容器，容器里面存放着属于当前线程的变量。ThreadLocal类提供了四个对外开放的接口方法，这也是用户操作ThreadLocal类的基本方法：
(1) void set(Object value)设置当前线程的线程局部变量的值。
(2) public Object get()该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
(3) public void remove()将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。
(4) protected Object initialValue()返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次，ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

下面我们来看源码，首先，在Thread类中有一行：

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

其中ThreadLocalMap类的定义是在ThreadLocal类中，真正的引用却是在Thread类中。同时，ThreadLocalMap中用于存储数据的entry定义：

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

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

我们可以发现这个Map的key是ThreadLocal类的实例对象，value为用户的值。ThreadLocal的set和get方法代码:

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

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();
}

其中的getMap方法：

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

给当前Thread类对象初始化ThreadlocalMap属性：

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

到这里，我们就可以理解ThreadLocal究竟是如何工作的了。

1.Thread类中有一个成员变量属于ThreadLocalMap类(一个定义在ThreadLocal类中的内部类)，它是一个Map，他的key是ThreadLocal实例对象。
2.当为ThreadLocal类的对象set值时，首先获得当前线程的ThreadLocalMap类属性，然后以ThreadLocal类的对象为key，设定value。get值时则类似。
3.ThreadLocal变量的活动范围为某线程，是该线程“专有的，独自霸占”的，对该变量的所有操作均由该线程完成！也就是说，ThreadLocal 不是用来解决共享对象的多线程访问的竞争问题的，因为ThreadLocal.set() 到线程中的对象是该线程自己使用的对象，其他线程是不需要访问的，也访问不到的。当线程终止后，这些值会作为垃圾回收。
4.每个线程独自拥有一个变量，并非是共享的。

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。作用：提供一个线程内公共变量（比如本次请求的用户信息），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，或者为线程提供一个私有的变量副本，这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本，而不会对其他线程产生影响。

如何实现一个线程多个ThreadLocal对象，每一个ThreadLocal对象是如何区分的呢？
查看源码，可以看到：

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}

对于每一个ThreadLocal对象，都有一个final修饰的int型的threadLocalHashCode不可变属性，对于基本数据类型，可以认为它在初始化后就不可以进行修改，所以可以唯一确定一个ThreadLocal对象。

但是如何保证两个同时实例化的ThreadLocal对象有不同的threadLocalHashCode属性：在ThreadLocal类中，还包含了一个static修饰的AtomicInteger（提供原子操作的Integer类）成员变量（即类变量）和一个static final修饰的常量（作为两个相邻nextHashCode的差值）。由于nextHashCode是类变量，所以每一次调用ThreadLocal类都可以保证nextHashCode被更新到新的值，并且下一次调用ThreadLocal类这个被更新的值仍然可用，同时AtomicInteger保证了nextHashCode自增的原子性。

为什么不直接用线程id来作为ThreadLocalMap的key？
这一点很容易理解，因为直接用线程id来作为ThreadLocalMap的key，无法区分放入ThreadLocalMap中的多个value。比如我们放入了两个字符串，你如何知道我要取出来的是哪一个字符串呢？
而使用ThreadLocal作为key就不一样了，由于每一个ThreadLocal对象都可以由threadLocalHashCode属性唯一区分或者说每一个ThreadLocal对象都可以由这个对象的名字唯一区分，所以可以用不同的ThreadLocal作为key，区分不同的value，方便存取。

3.ThreadLocal的内存泄露问题

根据上面Entry方法的源码，我们知道ThreadLocalMap是使用ThreadLocal的弱引用作为Key的。下图是本文介绍到的一些对象之间的引用关系图，实线表示强引用，虚线表示弱引用：

　如上图，ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用引用他，那么系统gc的时候，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value，如果当前线程再迟迟不结束的话，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：
Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value
永远无法回收，造成内存泄露。
　　
ThreadLocalMap设计时的对上面问题的对策：ThreadLocalMap的getEntry函数的流程大概为：
1.首先从ThreadLocal的直接索引位置(通过ThreadLocal.threadLocalHashCode & (table.length-1)运算得到)获取Entry e，如果e不为null并且key相同则返回e；
2.如果e为null或者key不一致则向下一个位置查询，如果下一个位置的key和当前需要查询的key相等，则返回对应的Entry。否则，如果key值为null，则擦除该位置的Entry，并继续向下一个位置查询。在这个过程中遇到的key为null的Entry都会被擦除，那么Entry内的value也就没有强引用链，自然会被回收。仔细研究代码可以发现，set操作也有类似的思想，将key为null的这些Entry都删除，防止内存泄露。

但是光这样还是不够的，上面的设计思路依赖一个前提条件：要调用ThreadLocalMap的getEntry函数或者set函数。这当然是不可能任何情况都成立的，所以很多情况下需要使用者手动调用ThreadLocal的remove函数，手动删除不再需要的ThreadLocal，防止内存泄露。所以JDK建议将ThreadLocal变量定义成private static的，这样的话ThreadLocal的生命周期就更长，由于一直存在ThreadLocal的强引用，所以ThreadLocal也就不会被回收，也就能保证任何时候都能根据ThreadLocal的弱引用访问到Entry的value值，然后remove它，防止内存泄露。

关于ThreadLocalMap内部类的简单介绍：
初始容量16，负载因子2/3，解决冲突的方法是再hash法，也就是：在当前hash的基础上再自增一个常量。