面試再也不怕問ThreadLocal了

来源:https://www.cnblogs.com/jtea/archive/2023/08/01/17595983.html
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要解決多線程併發問題，常見的手段無非就幾種。加鎖，如使用synchronized,ReentrantLock，加鎖可以限制資源只能被一個線程訪問；CAS機制，如AtomicInterger,AtomicBoolean等原子類，通過自旋的方式來嘗試修改資源；還有本次我們要介紹的ThreadLocal類 ...


要解決多線程併發問題，常見的手段無非就幾種。加鎖，如使用synchronized,ReentrantLock，加鎖可以限制資源只能被一個線程訪問；CAS機制，如AtomicInterger,AtomicBoolean等原子類，通過自旋的方式來嘗試修改資源；還有本次我們要介紹的ThreadLocal類，通過為每個線程維護一個變數副本，每個線程都有自己的資源了，自然沒有併發問題。ThreadLocal也是一個高頻面試題，看下如下的問題，是否沒想象中那麼簡單呢，看完這篇文章以後面試再問ThreadLocal就毫無鴨梨了。

  • ThreadLocal 作用，原理
  • 你在哪些場景使用過ThreadLocal，有什麼註意事項
  • ThreadLocalMap的key為什麼設計為弱引用，value為什麼不設置為弱引用
  • 如何將父線程的ThreadLocal傳遞給子線程
  • 如何將線程的ThreadLocal傳遞給線程池中的線程
  • ThreadLocal設計上可以做哪些優化

ThreadLocal原理

ThreadLocal設計上為每個線程維護一份線程私有數據，它可以避免多線程之間共用資源競爭問題，同時可以線上程執行的不同階段傳遞變數。
關於原理主要涉及到3個類，ThreadLocal，Thread，ThreadLocalMap。
ThreadLocal本身只是個“殼”，其操作的都是它的一個內部類ThreadLocalMap，一個類似HashMap的結構，但它不實現Map介面，ThreadLocalMap內部維護了一個Entry數組，存放實際的數據，Entry的key就是ThreadLocal對象本身，value是要存放的值，每次讀寫數據，就是通過TheradLocal對象計算hashcode，定位到數組的下標操作。Entry是一個繼承了WeakReference<ThreadLocal<?>>的類，作為key的ThreadLocal對象會被設置為弱引用。

public class ThreadLocal<T> {

    static class ThreadLocalMap {

	private Entry[] table;

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

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

Thread線程類內部有一個threadLocals屬性，就是該線程對應的ThreadLocalMap，這個欄位是通過ThreadLocal維護，也就是操作入口都是在ThreadLocal。

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

我們看下ThreadLocal.set方法源碼

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

非常好理解，拿到當前線程，拿到當前線程的ThreadLocalMap，把當前ThreadLocal作為key，和value傳遞給ThreadMap保存。
用一張圖來表示一下三者的關係，如下：

TheradLocal的應用

有時候面試官會問你在哪些場景使用過ThreadLocal，看你到底有沒有真正使用過，記住我如下例子就行啦。(以下代碼都是默寫的偽代碼~)

spring動態數據源
有些時候需要在一次方法內操作不同數據源，這個時候就涉及到多數據源的切換。我們會定義一個AbstractRoutingDataSource用來決定選哪個數據源

 public class DynamicDataSource extends AbstractRoutingDataSource {

    @Override
    protected Object determineCurrentLookupKey() {
        return DynamicDataSourceHolder.getDataSource();
    }
}

選哪個數據源是通過從當前線程ThreadLocal獲取

public class DynamicDataSourceHolder {

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

    public static String getDataSource() {
        return threadLocal.get();
    }

    public static void setDataSource(String dataSource) {
        threadLocal.set(dataSource);
    }

    public static void clearDataSource() {
        threadLocal.remove();
    }

}

接著可以定義一個註解和切麵，在方法執行前判斷拿到這個註解標記的數據源，將值設置到ThreadLocal，併在DynamicDataSource決定使用哪個數據時獲取到，實現數據源切換，偽代碼如下：

public @interface DS {
    String name();
}

@Component 
public class DynamicDataSourceAspect {

    @Pointcut("@annotation(com.my.DS)")
    public void pointcut() {}

    @Before("pointcut()")
    public void doBefore(JoinPoint joinPoint) {
        DynamicDataSourceHolder.set(dataSourceName);
    }

    @After("pointcut()")
    public void after(JoinPoint point) {
        DynamicDataSourceHolder.remove(dataSourceName);
    }
}

關於動態數據有興趣的可以看下mybatis plus的dynamic-datasource-spring-boot-starter，原理跟我們上面說的是一樣的。

可靠消息的實現
我們知道資料庫和mq要確保兩者都成功，一種做法就是使用本地消息表，也就是數據落庫的時候同時寫一條待發送的消息，並且將消息id記錄到ThreadLocal，在事務提交完成後，我們可以註冊回調，從本地ThreadLocal拿到消息id，再發送出去。當然，實際還要考慮發送失敗的情況，通過定時任務補償。這就是本地消息表的一種實現思路，ThreadLocal存儲了消息id，在事務提交後，再從ThreadLocal取出來發送消息。
首先說明，如下寫法是不可取的，原因有：1.如果事務commit失敗，mq還是發出去了 2.導致事務時間變長，事務內不宜處理其它耗時邏輯，如發送mq，調用介面等。

@Transactional
public void register() {
    //插入數據
    User user = new User();
    userMapper.insert(user);

    //發送消息，處理其它事情
    mq.send(topic, user.getId());
}

改寫如下：

@Transactional
public void register() {
    //插入數據
    User user = new User();
    userMapper.insert(user);
    UserMsg userMsg = new UserMsg();
    userMsgMapper.insert(userMsg);

    //不使用整個user對象，只存個id占用記憶體較少，user對象可以及時被回收
    threadLocal.set(user.getId);

    //註冊回調
    transCallbackService.afterCommit(() -> {
		mqHandleService.handleUserRegister();
	});
}

@Service
class TransCallbackService {
	public void afterCommit(Runnable runnable) {
		if (TransactionSynchronizationManager.isActualTransactionActive()) {
			TransactionSynchronizationManager.registerSynchronization(new TransactionSynchronizationAdapter() {
				@Override
				public void afterCommit() {
					runnable.run();
				}
			});
		}
	}
}

@Service
class MqHandleService {
	public void handleUserRegister() {
        	//從threadlocal獲取id，再處理各種事情
		mq.send(topic, threadLocal.get());
	}
}

弱引用問題

java中對象引用有幾種類型：強引用，弱引用，軟引用和虛引用，它們的區別主要跟gc有關。

強引用：通常我們寫的代碼都是強引用，如:User user = new User(); user就是一個強引用，它指向了記憶體一塊區域，只要user還是可達的，那麼gc就不會回收對應的記憶體。如果user的作用域非常長，而且後面它又沒有用到了，可以將它設置為null，這樣gc可以快點回收對應的記憶體，當然現在jvm比較智能，可以自動分析完成這個事情。還有一個註意事項是，如果對象被如一個全局的HaspMap引用著，那麼即使設置為null或者指向它的變數不可達了，它也不會被回收，如：

User user = new User();
HashMap map = new HashMap(); //被map引用著，map可達就不會被回收
map.put(user, 1);
user = null;

弱引用：如果一個對象只被弱引用對象引用著，那麼它會在下一次gc被回收，弱引用使用WeakReference類。如：

User user = new User();
WeakReference weakReference = new WeakReference(user);
user = null; 
HashMap hashMap = new HashMap();
hashMap.put(weakReference,1);
System.gc();

當執行完user=null後，其對象記憶體區域就沒有強引用指向它了，只有一個弱引用對象weakReference。接著執行gc，user原本指向的記憶體就會被回收。此時我們執行weakReference.get()將拿到一個null。 從這裡可以看到如果使用弱引用，假設我們忘記從HashMap移除不需要的元素，它也會再下一次gc時被回收，防止記憶體泄漏。

軟引用：在記憶體充足的條件下，不會被回收，只要在記憶體不足時才會被回收。
虛引用：隨時可能被同時，主要用於跟蹤gc，在對象被gc後會收到一個通知。

對於ThreadLocal來說，它裡面的Entry繼承了WeakReference，會把key也就是ThreadLocal對象設置為弱引用。那為什麼要這麼做呢？
上面的例子我們剛提到，當你忘記remove的時候，使用弱引用可以防止記憶體泄漏，ThreadLocal也是出於這目的。假設key不是弱引用，開發者忘記remove，那麼key就發生記憶體泄漏，只能等到Thread對象銷毀時才回收，在一些使用線程池的場景下，Thread會一直復用，就會導致記憶體一直回收不了。

    	public void test() {
		inner();
		System.gc();	
        	//Thread.currentThread.threadLocals	        
	}

	private void inner() {
		TestClass testClass = new TestClass();
		testClass.set(new User());
	}

	class TestClass {
		
        	ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();

		public void set(Object value) {
			threadLocal.set(value);
		}
	}

    	//更簡單的例子
    	public void test() {
		ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
        	threadLocal.set(new User());
        	threadLocal = null;
		System.gc();	
        	//Thread.currentThread.threadLocals	        
    	}

如上代碼，往ThreadLocal放了一個User對象，此時ThreadLocalMap就維護一個key為threadLocal，value為User的Entry，當inner方法執行完，threadLocal已經不可達，但它的記憶體區域還被Entry引用著，並且沒法再訪問到，如果是強引用，就出現記憶體泄漏。如果是弱引用，在gc後，我們觀察Thread.currentThread.threadLocals就可以發現，它的referent變成了null，被回收了。但作為value的User對象是強引用，不會被回收。到這裡有些面試官就會問，為什麼value不也設置為弱引用呢？

如下代碼：

    	public void test() {
		TestClass testClass = inner();
		System.gc();	
        	User user = testClass.get();    
	}

	private void inner() {
        	User user = new User();
		TestClass testClass = new TestClass();
		testClass.set(user);
        	return testClass;
	}

	class TestClass {
		
        	ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();

		public void set(User user) {
			threadLocal.set(user);
		}

        	public User get() {
            		reteurn threadLocal.get();
        	}
	}

這裡我們返回了TestClass，threadLocal對象就還被引用著，我們假設value如果是弱引用，那value在inner方法後就沒有強引用了，gc後會被回收，會後再獲取會拿到一個null，這顯然是不合理的。
說到底，key設置為弱引用是為了防止記憶體泄漏，value不能設置為弱引用是因為如果key還被強引用著，value若是弱引用會被gc回收，下次就拿不到了。
從另一個方面說，開發人員處理的是value，key是java自己幫我們生成的，所以它要負責任，確保不會出現記憶體泄漏問題，而value是開發自己設置的，不需要時要手動remove，不然出現問題就是開發的鍋啦。如果我忘記remove value，value泄漏是我的問題，但不能因此還多了一個key的泄漏，這個開發就不認了，為了避免這種糾纏不清問題，所以java作者將key設置為弱引用。

父線程/線程池傳遞ThreadLocal

如果線上程內，創建一個子線程，子線程還能訪問到父線程的ThreadLocal嗎？答案是不能的，但是從父子繼承的角度來說，有時候需要能，所以Thread內部還有一個inheritableThreadLocals，它也是一個ThreadLocalMap。對應的也有一個InheritableThreadLocal，它繼承了ThreadLocal。

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

在new Therad()創建子線程的時候有如下邏輯

 if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)  
    this.inheritableThreadLocals = ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);

this是子線程，parent是父線程，也是當前線程，這裡會判斷父線程是否有inheritableThreadLocals，有就傳遞給子線程。
所以在父子線程場景下，傳遞ThreadLocal可以使用InheritableThreadLocal。

使用InheritableThreadLocal只能在第一次創建時把數據傳遞過去，後面主線程再改子線程也不會變化。對於使用線程池的情況，線程是復用的，如果希望子線程每次執行都能獲取到主線程的ThreadLocal值，InheritableThreadLocal也無能為力了。例如日誌跟蹤traceid，每次執行主線程都會生成一個traceid，線程值每次執行，也都應該拿到最新的traceid，這樣才能鏈路才能一致。
實現思路是自定義一個TtlRunnable繼承Runnable，在執行run方法前，拷貝一下當前線程的值，在runnable.run執行前，將父線程的值拷貝到當前線程，這樣每次執行都會做一次拷貝。

	public class TtlRunnable implements Runnable {

		private Runnable runnable;
		private HashMap<ThreadLocal, Object> ttlThreadLocals;

		public TtlRunnable(Runnable runnable) {
			this.runnable = runnable;
			//將當前線程的ThreadLocal拷貝一份
			ttlThreadLocals = copyCurrentThreadLocals();
		}

		@Override
		public void run() {
			//將父線程ThreadLocal拷貝到當前子線程
			copyParentThreadLocal2Current(ttlThreadLocals);
			runnable.run();
		}
	}

上面只是簡單的實現思路，像spring cloud sleuth在處理traceid時思想也是類似的，當然實際還有很多東西要考慮，不過我們不用自己實現，阿裡有一個TransmmittableThreadLocal可以直接使用，參見：transmittable-thread-local。

ThreadLocal可以做哪些優化

能問到這裡證明離offer已經不遠了，基本很多面試官也不會問到這個層面。
回到ThreadLocal原理部分，它實際操作的是ThreadLocalMap，通過當前ThreadLocal的hashcode，計算Entry數組的下標，這個hashcode是new ThreadLocal()時通過一個全局的AtomicInteger累加0x61c88647得到。
跟hashmap的原理類似，通過hashcode計算下標，可能會出現hash衝突，hashmap使用鏈表+紅黑樹的方式解決hash衝突。而ThreadLocal使用線性探測法解決。
線性探測法的做法是，當出現hash衝突時，探測下一個位置，看看是否可以放入，可以就放入，否則繼續往下一個位置探測。問題就出現在這裡，當出現較多hash衝突時，相當於鏈表的遍歷不斷的探測，效率較低，可能ThreadLocal的作者認為ThreadLocal的設計上它不會存放太多數據吧。
那怎麼優化呢？既然出現hash衝突影響效率，那乾脆就不處理了，使用一個遞增為1的AtomicInteger，每個ThreadLocal對應一個下標，這樣就不會有衝突了，O(1)的查詢速度，但是會占用較多空間，是一種空間換時間的思想。

實際這種做法就是netty中FastThreadLocal的實現，netty中提供了FastThreadLocal，FastThreadLocalMap，InternalThreadLocalMap，它們需要搭配使用，否則會退化為jdk的ThreadLocal。
每個FastThreadLocal都有一個遞增唯一的index，放入InternalThreadLocalMap時不會有衝突，查詢效率也高。通過index直接定位到下標，不需要hash，在擴容的時候直接搬到新數組對應下標，也不需要rehash，擴容速度快。同時由於不會出現衝突，所以不需要保持ThreadLocal的引用，也就沒有上面弱引用和記憶體泄漏的問題。
通過netty的FastThreadLocal來回答這個問題，有理有據，有興趣的可以去研究一下它的源碼。

更多分享，歡迎關註我的github：https://github.com/jmilktea/jtea


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