來探討一下最近面試問的ThreadLocal問題

原文地址：https://dwz.cn/qr3IzZAE

作者：奔頭哥

中高級階段開發者出去面試，應該躲不開ThreadLocal相關問題，本文就常見問題做出一些解答，歡迎留言探討。

ThreadLocal為java並發提供了一個新的思路， 它用來存儲Thread的局部變量， 從而達到各個Thread之間的隔離運行。它被廣泛應用於框架之間的用戶資源隔離、事務隔離等。

但是用不好會導致內存泄漏， 本文重點用於對它的使用過程的疑難解答， 相信仔細閱讀完後的朋友可以隨心所欲的安全使用它。

內存泄漏原因探索

ThreadLocal操作不當會引發內存泄露，最主要的原因在於它的內部類ThreadLocalMap中的Entry的設計。

Entry繼承了WeakReference>，即Entry的key是弱引用，所以key'會在垃圾回收的時候被回收掉， 而key對應的value則不會被回收， 這樣會導致一種現象：key為null，value有值。

key為空的話value是無效數據，久而久之，value累加就會導致內存泄漏。

static class ThreadLocalMap {
 static class Entry extends WeakReference> {
 Object value;

 Entry(ThreadLocal k, Object v) {
 super(k);
 value = v;
 }
 }
 ...
}

怎麼解決這個內存泄漏問題

每次使用完ThreadLocal都調用它的remove()方法清除數據。因為它的remove方法會主動將當前的key和value(Entry)進行清除。

private void remove(ThreadLocal key) {
 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)]) {
 if (e.get() == key) {
 e.clear(); // 清除key
 expungeStaleEntry(i); // 清除value
 return;
 }
 }
}

e.clear()用於清除Entry的key，它調用的是WeakReference中的方法:this.referent = null

expungeStaleEntry(i)用於清除Entry對應的value， 這個後面會詳細講。

JDK開發者是如何避免內存泄漏的

ThreadLocal的設計者也意識到了這一點(內存泄漏)， 他們在一些方法中埋了對key=null的value擦除操作。

這裡拿ThreadLocal提供的get()方法舉例，它調用了ThreadLocalMap#getEntry()方法，對key進行了校驗和對null key進行擦除。

private Entry getEntry(ThreadLocal key) {
 // 拿到索引位置
 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);
}

如果key為null， 則會調用getEntryAfterMiss()方法，在這個方法中，如果k == null ， 則調用expungeStaleEntry(i);方法。

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;
 }

expungeStaleEntry(i)方法完成了對key=null 的key所對應的value進行賦空， 釋放了空間避免內存泄漏。

同時它遍歷下一個key為空的entry， 並將value賦值為null， 等待下次GC釋放掉其空間。

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
 Entry[] tab = table;
 int len = tab.length;

 // expunge entry at staleSlot
 tab[staleSlot].value = null;
 tab[staleSlot] = null;
 size--;

 // Rehash until we encounter null
 Entry e;
 int i;
 // 遍歷下一個key為空的entry， 並將value指向null
 for (i = nextIndex(staleSlot, len);
 (e = tab[i]) != null;
 i = nextIndex(i, len)) {
 ThreadLocal k = e.get();
 if (k == null) {
 e.value = null;
 tab[i] = null;
 size--;
 } else {
 int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
 if (h != i) {
 tab[i] = null;

 // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
 // null because multiple entries could have been stale.
 while (tab[h] != null)
 h = nextIndex(h, len);
 tab[h] = e;
 }
 }
 }
 return i;
}

同理， set()方法最終也是調用該方法(expungeStaleEntry)， 調用路徑: set(T value)->map.set(this, value)->rehash()->expungeStaleEntries()

remove方法remove()->ThreadLocalMap.remove(this)->expungeStaleEntry(i)

這樣做， 也只能說儘可能避免內存泄漏， 但並不會完全解決內存泄漏這個問題。比如極端情況下我們只創建ThreadLocal但不調用set、get、remove方法等。所以最能解決問題的辦法就是用完ThreadLocal後手動調用remove().

手動釋放ThreadLocal遺留存儲?你怎麼去設計/實現？

這裡主要是強化一下手動remove的思想和必要性，設計思想與連接池類似。

包裝其父類remove方法為靜態方法，如果是spring項目， 可以藉助於bean的聲明周期， 在攔截器的afterCompletion階段進行調用。

弱引用導致內存泄漏，那為什麼key不設置為強引用

這個問題就比較有深度了，是你談薪的小小資本。

如果key設置為強引用， 當threadLocal實例釋放後， threadLocal=null， 但是threadLocal會有強引用指向threadLocalMap，threadLocalMap.Entry又強引用threadLocal， 這樣會導致threadLocal不能正常被GC回收。

弱引用雖然會引起內存泄漏， 但是也有set、get、remove方法操作對null key進行擦除的補救措施， 方案上略勝一籌。

線程執行結束後會不會自動清空Entry的value

一併考察了你的gc基礎。

事實上，當currentThread執行結束後， threadLocalMap變得不可達從而被回收，Entry等也就都被回收了，但這個環境就要求不對Thread進行復用，但是我們項目中經常會復用線程來提高性能， 所以currentThread一般不會處於終止狀態。

Thread和ThreadLocal有什麼聯繫呢

ThreadLocal的概念。

Thread和ThreadLocal是綁定的， ThreadLocal依賴於Thread去執行， Thread將需要隔離的數據存放到ThreadLocal(準確的講是ThreadLocalMap)中, 來實現多線程處理。

相關問題擴展

加分項來了。

spring如何處理bean多線程下的並發問題

ThreadLocal天生為解決相同變量的訪問衝突問題， 所以這個對於spring的默認單例bean的多線程訪問是一個完美的解決方案。spring也確實是用了ThreadLocal來處理多線程下相同變量並發的線程安全問題。

spring 如何保證資料庫事務在同一個連接下執行的

要想實現jdbc事務， 就必須是在同一個連接對象中操作， 多個連接下事務就會不可控， 需要藉助分布式事務完成。那spring 如何保證資料庫事務在同一個連接下執行的呢？

DataSourceTransactionManager 是spring的數據源事務管理器， 它會在你調用getConnection()的時候從資料庫連接池中獲取一個connection， 然後將其與ThreadLocal綁定， 事務完成後解除綁定。這樣就保證了事務在同一連接下完成。

概要源碼：

1.事務開始階段：org.springframework.jdbc.datasource.DataSourceTransactionManager#doBegin->TransactionSynchronizationManager#bindResource->org.springframework.transaction.support.TransactionSynchronizationManager#bindResource

2.事務結束階段:

org.springframework.jdbc.datasource.DataSourceTransactionManager#doCleanupAfterCompletion->TransactionSynchronizationManager#unbindResource->org.springframework.transaction.support.TransactionSynchronizationManager#unbindResource->TransactionSynchronizationManager#doUnbindResource