浅谈并发:ThreadLocal

Otstar Lin

前言

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ThreadLocal

ThreadLocal 是关于创建线程局部变量的类,类似于沙箱,当前线程存储的变量只能被当前线程访问,不同线程间的变量是隔离开的。

ThreadLocal 其实只是一个委托类,实际存储的数据是存在线程中的 ThreadLocalMap 里,由于线程是互相隔离的,所以 Thread 里的数据也就原生隔离了。所以获取 ThreadLocal 的值其实经过了以下几个步骤:

  1. 首先获取当前线程。
  2. 利用当前线程作为句柄获取一个来自该实例中的 ThreadLocalMap 的对象。
  3. 如果上述 ThreadLocalMap 对象不为空,则从 ThreadLocalMap 中取得以当前 ThreadLocal 对象为 key 的值。
  4. 如果ThreadLocalMap 对象为空,或者取得的值为 null,则通过 initialValue 方法取得初始值,将初始值设置到 ThreadLocalMap 或者创建这个 ThreadLocalMap 对象并设置值。

源码如下:

getMap 方法其实就是获取了 t.threadLocals 这个属性,所以 ThreadLocal 里的值被对应的线程持有,存放于堆中。(当然这并不是绝对的,因为还有栈上分配、标量替换等优化)。

InheritableThreadLocal

除了 ThreadLocal 外,Java 中还提供了一个 InheritableThreadLocal

InheritableThreadLocal 是 ThreadLocal 的扩展版本,当父线程创建子线程的时候,父线程的 ThreadLocalMap 就会被复制到子线程中。这样就能做到线程间传递变量。

不过需要注意的是,发生传递的情况只有在子线程是父线程创建的,然而我们一般不会直接创建线程,而是通过线程池的方式来使用,这也导致了无法形成层级关系,此时父子线程间的上下文传递就没有用了。当然这也有解决方案,比较流行的如阿里的 TTL

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap 虽有 Map 的后缀但是它并不继承自 Map 接口,所以内部的方法并没有同 Map 一样有非常多的方法。同时实现也不同于 HashMap,内部并没有使用 数组+链表(红黑树)的方式进行存储,而是只简单的 数组 来存储的。对于 hash 冲突的解决方式是采用开放寻址法

ThreadLocalMap 的 key 是弱引用,value 是强引用的存储结构。

内存泄漏

原因

首先说明一点,ThreadLocal 本身设计并不存在内存泄漏的问题,之所以会发生内存泄漏,实际上是因为错误的使用导致的。

由于 ThreadLocalMap 中的 key 是弱引用的,当 key 被 GC 清理后,ThreadLocalMap 中就只剩下了 value,而这个 value 是强引用的,会一直在线程中存在,此时即使 ThreadLocalMap 的使用者不再引用这些对象,这些对象也无法被垃圾回收,因为还有一条引用链引用这这个 value

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如果没有调用 remove 方法清除不再需要使用的值,那么这个值就会一直存在直到 Thread 对象被销毁。然而我们一般情况下都是使用线程池,所以线程的生命周期非常长,不 remove 最终可能会导致 OOM。

解决方案

对于过期的值清除有以下三种方式:

  1. 显示清除:这是推荐的方式,通过调用 remove 方法就可以将下面那条引用断开,这样 value 就不再拥有强引用了,GC 也就能回收这个对象了。
  2. 隐式清除:隐式清除分为两个步骤:
    • 清除 key:由于 Key 是弱引用的,其指向的 ThreadLocal 实例可被 GC 回收,回收后从 k-v 变成 null-v
    • 清除 value:当我们调用 getset 等方法的时候,会自动寻找 key 为 null 的元素并删除(expungeStaleEntry)。
  3. 自动清除:由于 ThreadLocalMap 是随着 Thread 存在的,当 Thread 被回收的时候,ThreadLocalMap 就会被一起回收。这在使用线程池的情况下基本无法使用。

为了避免发生保持在 null-v 这种内存泄漏的情况,我们可以使用显示清除这种较为简单也是最推荐的方式。

或者也可以将 ThreadLocal 设置为 static 这种情况,这样就保证了 key 不会被 GC 自动回收,当我们再次使用的时候就会覆盖之前的值,之前的值也就不存在强引用了。但是这种方式同样也要注意一点,由于我们一般会使用线程池来执行任务,那么 ThreadLocalMap 也会被保留下来,其中的值不会被清除,当我们再次使用 ThreadLocal 的时候,如果未先 remove 掉旧值那么就有可能造成值残留的问题。

结语

总算写完文章了,差不多写了快 2 小时吧,虽然不是什么复杂的知识,但是耗时确实挺多的。

另外吐槽下这个坑爹的 WordPress,越更新越难用,现在这个 Gutenberg 编辑器越来越卡,打算换平台了,但是又不舍得这个主题(换平台移植主题太花时间了,今年估计是没法)。