ThreadLocal源码分析

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BrightLoong
0.7 2018.05.28 22:28* 字数 1750

threadLocal

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一. 简介

提醒篇幅较大需耐心。

简介来自ThreadLocal类注释

ThreadLocal类提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量与普通变量不同,每个线程都可以通过其 get 或 set方法来访问自己的独立初始化的变量副本。ThreadLocal 实例通常是类中的 private static 字段,它们希望将状态与某一个线程(例如,用户 ID 或事务 ID)相关联。

下面是类注释中给出的一个列子:

以下类生成对每个线程唯一的局部标识符。 线程 ID 是在第一次调用 UniqueThreadIdGenerator.getCurrentThreadId() 时分配的,在后续调用中不会更改。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
  
    public class ThreadId {
    // Atomic integer containing the next thread ID to be assigned
    private static final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger(0);

    // Thread local variable containing each thread's ID
    private static final ThreadLocal<Integer> threadId =
            new ThreadLocal<Integer>() {
                @Override protected Integer initialValue() {
                    return nextId.getAndIncrement();
                }
            };

    // Returns the current thread's unique ID, assigning it if necessary
    public static int get() {
        return threadId.get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    System.out.print(threadId.get());
                }
            }).start();
        }
    }
}

输出结果 :01234

只要线程是活动的并且 ThreadLocal 实例是可访问的,每个线程都会保持对其线程局部变量副本的隐式引用;在线程消失之后,其线程局部实例的所有副本都会被垃圾回收(除非存在对这些副本的其他引用)。

二. 整体认识

UML类图

threadLocal UML

ThreadLocal中的嵌套内部类ThreadLocalMap,这个类本质上是一个map,和HashMap之类的实现相似,依然是key-value的形式,其中有一个内部类Entry,其中key可以看做是ThreadLocal实例,但是其本质是持有ThreadLocal实例的弱引用(之后会详细说到)。

还是说ThreadLocalMap(下面是很大篇幅的阅读其源码,毕竟了解清楚了ThreadLocalMap的来龙去脉,ThreadLocal基本也就差不多了),在ThreadLocal中并没有对于ThreadLocalMap的引用,是的,ThreadLocalMap的引用在Thread类中,代码如下。每个线程在向ThreadLocal里塞值的时候,其实都是向自己所持有的ThreadLocalMap里塞入数据;读的时候同理,首先从自己线程中取出自己持有的ThreadLocalMap,然后再根据ThreadLocal引用作为key取出value,基于以上描述,ThreadLocal实现了变量的线程隔离(当然,毕竟变量其实都是从自己当前线程实例中取出来的)。

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

原理图

根据理解,画出ThreadLocal原理图如下:


原理图
  • 首先,主线程定义的两个ThreadLocal变量,和两个子线程——线程A和线程B。
  • 线程A和线程B分别持有一个ThreadLocalMap用于保存自己独立的副本,主线程的ThreadLocal中封装了get()和set()之类的方法。
  • 在线程A和线程B中调用ThreadLocal的set方法,会首先通过getMap(Thread.currentThread)获得线程A或者是线程B持有的ThreadLocalMap,在调用map.put()方法,并将ThreadLocal作为key。
  • get()方法和set()方法原理类似,也是先获取当前调用线程的ThreadLocalMap,再从map中获取value,并将ThreadLocal作为key。

三. ThreadLocalMap源码分析

下面一步一步介绍ThreadLocalMap源码分析的相关源码,在分析ThreadLocalMap的同时,也会介绍与ThreadLocalMap关联的ThreadLocal中的方法(这样分析完ThreadLocalMap,ThreadLocal基本就搞定了),可能有些需要前后结合才能真正理解。

成员变量

    /**
     * 初始容量 —— 必须是2的冥
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * 存放数据的table,Entry类的定义在下面分析
     * 同样,数组长度必须是2的冥。
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * 数组里面entrys的个数,可以用于判断table当前使用量是否超过负因子。
     */
    private int size = 0;

    /**
     * 进行扩容的阈值,表使用量大于它的时候进行扩容。
     */
    private int threshold; // Default to 0
    
    /**
     * 定义为长度的2/3
     */
    private void setThreshold(int len) {
        threshold = len * 2 / 3;
    }

各个值的含义已经在注释里面说了,就不再一一解释。

存储结构——Entry

/**
 * Entry继承WeakReference,并且用ThreadLocal作为key.如果key为null
 * (entry.get() == null)表示key不再被引用,表示ThreadLocal对象被回收
 * 因此这时候entry也可以从table从清除。
 */
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

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

Entry继承WeakReference,使用弱引用,可以将ThreadLocal对象的生命周期和线程生命周期解绑,持有对ThreadLocal的弱引用,可以使得ThreadLocal在没有其他强引用的时候被回收掉,这样可以避免因为线程得不到销毁导致ThreadLocal对象无法被回收。

关于WeakReference可以参考我之前的博客,关于Java中的WeakReferencea

ThreadLocalMap的set()方法和Hash映射

要了解ThreadLocalMap中Hash映射的方式,首先从ThreadLocal的set()方法入手,逐层深入。

ThreadLocal中的set()

先看看ThreadLocal中set()源码。

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

    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }
  • 代码很简单,获取当前线程,并获取当前线程的ThreadLocalMap实例(从getMap(Thread t)中很容易看出来)。
  • 如果获取到的map实例不为空,调用map.set()方法,否则调用构造函数 ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, firstValue)实例化map。

可以看出来线程中的ThreadLocalMap使用的是延迟初始化,在第一次调用get()或者set()方法的时候才会进行初始化。下面来看看构造函数ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue)

    ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
        //初始化table
        table = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[INITIAL_CAPACITY];
        //计算索引
        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
        //设置值
        table[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(firstKey, firstValue);
        size = 1;
        //设置阈值
        setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
    }

主要说一下计算索引,firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1)

  • 关于& (INITIAL_CAPACITY - 1),这是取模的一种方式,对于2的幂作为模数取模,用此代替%(2^n),这也就是为啥容量必须为2的冥,在这个地方也得到了解答,至于为什么可以这样这里不过多解释,原理很简单。
  • 关于firstKey.threadLocalHashCode
    private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
    
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
    private static AtomicInteger nextHashCode =
            new AtomicInteger();
            
    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
    

定义了一个AtomicInteger类型,每次获取当前值并加上HASH_INCREMENT,HASH_INCREMENT = 0x61c88647,关于这个值和斐波那契散列有关,其原理这里不再深究,感兴趣可自行搜索,其主要目的就是为了让哈希码能均匀的分布在2的n次方的数组里, 也就是Entry[] table中。

在了解了上面的源码后,终于能进入正题了,下面开始进入ThreadLocalMap中的set()。

ThreadLocalMap中的set()

ThreadLocalMap使用线性探测法来解决哈希冲突,线性探测法的地址增量di = 1, 2, ... , m-1,其中,i为探测次数。该方法一次探测下一个地址,直到有空的地址后插入,若整个空间都找不到空余的地址,则产生溢出。假设当前table长度为16,也就是说如果计算出来key的hash值为14,如果table[14]上已经有值,并且其key与当前key不一致,那么就发生了hash冲突,这个时候将14加1得到15,取table[15]进行判断,这个时候如果还是冲突会回到0,取table[0],以此类推,直到可以插入。

按照上面的描述,可以把table看成一个环形数组

先看一下线性探测相关的代码,从中也可以看出来table实际是一个环:

/**java
    /**
     * 获取环形数组的下一个索引
     */
    private static int nextIndex(int i, int len) {
        return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
    }

    /**
     * 获取环形数组的上一个索引
     */
    private static int prevIndex(int i, int len) {
        return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
    }

ThreadLocalMap的set()及其set()相关代码如下:

    private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        //计算索引,上面已经有说过。
        int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

        /**
         * 根据获取到的索引进行循环,如果当前索引上的table[i]不为空,在没有return的情况下,
         * 就使用nextIndex()获取下一个(上面提到到线性探测法)。
         */
        for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
             e != null;
             e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();
            //table[i]上key不为空,并且和当前key相同,更新value
            if (k == key) {
                e.value = value;
                return;
            }
            /**
             * table[i]上的key为空,说明被回收了(上面的弱引用中提到过)。
             * 这个时候说明改table[i]可以重新使用,用新的key-value将其替换,并删除其他无效的entry
             */
            if (k == null) {
                replaceStaleEntry(key, value, i);
                return;
            }
        }

        //找到为空的插入位置,插入值,在为空的位置插入需要对size进行加1操作
        tab[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(key, value);
        int sz = ++size;

        /**
         * cleanSomeSlots用于清除那些e.get()==null,也就是table[index] != null && table[index].get()==null
         * 之前提到过,这种数据key关联的对象已经被回收,所以这个Entry(table[index])可以被置null。
         * 如果没有清除任何entry,并且当前使用量达到了负载因子所定义(长度的2/3),那么进行rehash()
         */
        if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
            rehash();
    }


    /**
     * 替换无效entry
     */
    private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
                                   int staleSlot) {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e;

        /**
         * 根据传入的无效entry的位置(staleSlot),向前扫描
         * 一段连续的entry(这里的连续是指一段相邻的entry并且table[i] != null),
         * 直到找到一个无效entry,或者扫描完也没找到
         */
        int slotToExpunge = staleSlot;//之后用于清理的起点
        for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
             (e = tab[i]) != null;
             i = prevIndex(i, len))
            if (e.get() == null)
                slotToExpunge = i;

        /**
         * 向后扫描一段连续的entry
         */
        for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
             (e = tab[i]) != null;
             i = nextIndex(i, len)) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();

            /**
             * 如果找到了key,将其与传入的无效entry替换,也就是与table[staleSlot]进行替换
             */
            if (k == key) {
                e.value = value;

                tab[i] = tab[staleSlot];
                tab[staleSlot] = e;

                //如果向前查找没有找到无效entry,则更新slotToExpunge为当前值i
                if (slotToExpunge == staleSlot)
                    slotToExpunge = i;
                cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
                return;
            }

            /**
             * 如果向前查找没有找到无效entry,并且当前向后扫描的entry无效,则更新slotToExpunge为当前值i
             */
            if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
                slotToExpunge = i;
        }

        /**
         * 如果没有找到key,也就是说key之前不存在table中
         * 就直接最开始的无效entry——tab[staleSlot]上直接新增即可
         */
        tab[staleSlot].value = null;
        tab[staleSlot] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(key, value);

        /**
         * slotToExpunge != staleSlot,说明存在其他的无效entry需要进行清理。
         */
        if (slotToExpunge != staleSlot)
            cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
    }

    /**
     * 连续段清除
     * 根据传入的staleSlot,清理对应的无效entry——table[staleSlot],
     * 并且根据当前传入的staleSlot,向后扫描一段连续的entry(这里的连续是指一段相邻的entry并且table[i] != null),
     * 对可能存在hash冲突的entry进行rehash,并且清理遇到的无效entry.
     *
     * @param staleSlot key为null,需要无效entry所在的table中的索引
     * @return 返回下一个为空的solt的索引。
     */
    private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;

        // 清理无效entry,置空
        tab[staleSlot].value = null;
        tab[staleSlot] = null;
        //size减1,置空后table的被使用量减1
        size--;

        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e;
        int i;
        /**
         * 从staleSlot开始向后扫描一段连续的entry
         */
        for (i = nextIndex(staleSlot, len);
             (e = tab[i]) != null;
             i = nextIndex(i, len)) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();
            //如果遇到key为null,表示无效entry,进行清理.
            if (k == null) {
                e.value = null;
                tab[i] = null;
                size--;
            } else {
                //如果key不为null,计算索引
                int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
                /**
                 * 计算出来的索引——h,与其现在所在位置的索引——i不一致,置空当前的table[i]
                 * 从h开始向后线性探测到第一个空的slot,把当前的entry挪过去。
                 */
                if (h != i) {
                    tab[i] = null;
                    while (tab[h] != null)
                        h = nextIndex(h, len);
                    tab[h] = e;
                }
            }
        }
        //下一个为空的solt的索引。
        return i;
    }

    /**
     * 启发式的扫描清除,扫描次数由传入的参数n决定
     *
     * @param i 从i向后开始扫描(不包括i,因为索引为i的Slot肯定为null)
     *
     * @param n 控制扫描次数,正常情况下为 log2(n) ,
     * 如果找到了无效entry,会将n重置为table的长度len,进行段清除。
     *
     * map.set()点用的时候传入的是元素个数,replaceStaleEntry()调用的时候传入的是table的长度len
     *
     * @return true if any stale entries have been removed.
     */
    private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
        boolean removed = false;
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        do {
            i = nextIndex(i, len);
            ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
            if (e != null && e.get() == null) {
                //重置n为len
                n = len;
                removed = true;
                //依然调用expungeStaleEntry来进行无效entry的清除
                i = expungeStaleEntry(i);
            }
        } while ( (n >>>= 1) != 0);//无符号的右移动,可以用于控制扫描次数在log2(n)
        return removed;
    }


    private void rehash() {
        //全清理
        expungeStaleEntries();

        /**
         * threshold = 2/3 * len
         * 所以threshold - threshold / 4 = 1en/2
         * 这里主要是因为上面做了一次全清理所以size减小,需要进行判断。
         * 判断的时候把阈值调低了。
         */
        if (size >= threshold - threshold / 4)
            resize();
    }

    /**
     * 扩容,扩大为原来的2倍(这样保证了长度为2的冥)
     */
    private void resize() {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] oldTab = table;
        int oldLen = oldTab.length;
        int newLen = oldLen * 2;
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] newTab = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[newLen];
        int count = 0;

        for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
            ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = oldTab[j];
            if (e != null) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();
                //虽然做过一次清理,但在扩容的时候可能会又存在key==null的情况。
                if (k == null) {
                    //这里试试将e.value设置为null
                    e.value = null; // Help the GC
                } else {
                    //同样适用线性探测来设置值。
                    int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                    while (newTab[h] != null)
                        h = nextIndex(h, newLen);
                    newTab[h] = e;
                    count++;
                }
            }
        }

        //设置新的阈值
        setThreshold(newLen);
        size = count;
        table = newTab;
    }

    /**
     * 全清理,清理所有无效entry
     */
    private void expungeStaleEntries() {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        for (int j = 0; j < len; j++) {
            ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[j];
            if (e != null && e.get() == null)
                //使用连续段清理
                expungeStaleEntry(j);
        }
    }

ThreadLocalMap中的getEntry()及其相关

同样的对于ThreadLocalMap中的getEntry()也从ThreadLocal的get()方法入手。

ThreadLocal中的get()
public T get() {
    //同set方法类似获取对应线程中的ThreadLocalMap实例
    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;
        }
    }
    //为空返回初始化值
    return setInitialValue();
}
/**
 * 初始化设值的方法,可以被子类覆盖。
 */
protected T initialValue() {
   return null;
}

private T setInitialValue() {
    //获取初始化值,默认为null(如果没有子类进行覆盖)
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //不为空不用再初始化,直接调用set操作设值
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        //第一次初始化,createMap在上面介绍set()的时候有介绍过。
        createMap(t, value);
    return value;
}
ThreadLocalMap中的getEntry()
    private ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
        //根据key计算索引,获取entry
        int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = table[i];
        if (e != null && e.get() == key)
            return e;
        else
            return getEntryAfterMiss(key, i, e);
    }

    /**
     * 通过直接计算出来的key找不到对于的value的时候适用这个方法.
     */
    private ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e) {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;

        while (e != null) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();
            if (k == key)
                return e;
            if (k == null)
                //清除无效的entry
                expungeStaleEntry(i);
            else
                //基于线性探测法向后扫描
                i = nextIndex(i, len);
            e = tab[i];
        }
        return null;
    }

ThreadLocalMap中的remove()

    private void remove(ThreadLocal<?> key) {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        //计算索引
        int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
        //进行线性探测,查找正确的key
        for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
             e != null;
             e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
            if (e.get() == key) {
                //调用weakrefrence的clear()清除引用
                e.clear();
                //连续段清除
                expungeStaleEntry(i);
                return;
            }
        }
    }

remove()在有上面了解后可以说极为简单了,就是找到对应的table[],调用weakrefrence的clear()清除引用,然后再调用expungeStaleEntry()进行清除。

四. 总结

分析完ThreadLocalMap,ThreadLocal的神秘面纱也就揭开了,所以不再赘述。

Java并发
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