线程本地存储 ThreadLocal 的原理及使用

背景使用原理几点说明（理解原理的关键）拓展

背景

多个线程并发读写同一共享变量会存在一些问题，只要我们突破共享变量就不会有并发问题。除了使用局部变量外，Java语言提供的线程本地存储（ThreadLocal）就能解决多线程共享变量问题。

使用

下面我们以并发场景下使用线程不安全的 SimpleDateFormat 为例。

static class SafeDateFormat { // 定义ThreadLocal变量 static final ThreadLocal tl = ThreadLocal.withInitial(()-> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")); static DateFormat get() { return tl.get(); } } // 不同线程执行下面代码返回不同的DateFormat DateFormat df = SafeDateFormat.get()；

不同线程调用 SafeDateFormat.get() 将返回不同的 SimpleDateFormat 对象实例，由于不同线程的 SimpleDateFormat 相互隔离，所以是线程安全的。

原理

如下图所示，Thread 持有一个 ThreadLocalMap 的引用，ThreadLocalMap 以 ThreadLocal 为 key，任意对象为 value。 部分源码如下：

class Thread { // 内部持有 ThreadLocalMap 的引用 ThreadLocalMap ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals; } class ThreadLocal { public T get() { // 首先获取线程持有的 ThreadLocalMap ThreadLocalMap map = Thread.currentThread().threadLocals; // 在 ThreadLocalMap 中查找变量 Entry e = map.getEntry(this); return e.value; } static class ThreadLocalMap { // 内部是Entry数组而不是Map Entry[] table; // 根据 ThreadLocal 查找 Entry Entry getEntry(ThreadLocal key) { ... } // Entry定义 static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { Object value; } } }

几点说明（理解原理的关键）

为什么 ThreadLocalMap 放在 Thread ，而不放在 ThreadLocal 中呢？ 试想一下，如果 Thread 结束了生命周期，而此时 ThreadLocal 还没有结束生命周期，由于 ThreadLocal 引用了 ThreadLocalMap，ThreadLocalMap 引用了 Thread，使得 Thread 无法被垃圾收集器回收，导致内存泄漏。为什么 Entry 对 ThreadLocal 是弱引用（WeakReference）？ 试想一下，如果 ThreadLocal 结束了生命周期，而此时 Thread 还没有结束生命周期（从线程池中获取线程），由于 Thread -> ThreadLocalMap -> entry -> key(ThreadLocal) 的引用存在，使得 ThreadLocal 无法被回收，有了弱引用之后，ThreadLocal 只能存活到下次GC。value 为什么不能被回收？ Entry 中的 value 是被 Entry 强引用的，所以即便 value 的生命周期结束了，value 也是无法被回收的，从而导致内存泄露。那要如何回收 value 呢？ 手动remove。 try { ... } finally { // 手动清理 ThreadLocal tl.remove(); }

拓展

通过 ThreadLocal 创建的线程变量，其子线程是无法继承的。也就是说你在线程中通过 ThreadLocal 创建了线程变量 V，而后该线程创建了子线程，你在子线程中是无法通过 ThreadLocal 来访问父线程中的线程变量 V 。

如果你需要子线程继承父线程的线程变量，那该怎么办呢？Java 提供了 InheritableThreadLocal，InheritableThreadLocal 是 ThreadLocal 子类，所以用法和 ThreadLocal 相同，但由于存在和 ThreadLocal 同样的内存泄漏问题，不建议使用。

如果需要使用，可以考虑使用阿里的 TransmittableThreadLocal 框架。