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java编程ThreadLocal上下传递源码分析

引导语ThreadLocal提供了一种方式,让在多线程环境下,每个线程都可以拥有自己独特的数据,并且可以在整个线程执行过程中,从上而下的传递。1、用法演示可能很多同学没有使用过ThreadLocal,我们先来演示下ThreadLocal的用法,demo如下:/***ThreadLocal中保存的数据是Map*/staticfinalThreadLocalcontext=newThreadLocal();@TestpublicvoidtestThread(){//从上下文中拿出MapMapcontextMa

本文目录

      引导语

      ThreadLocal 提供了一种方式,让在多线程环境下,每个线程都可以拥有自己独特的数据,并且可以在整个线程执行过程中,从上而下的传递。

      1、用法演示

      可能很多同学没有使用过 ThreadLocal,我们先来演示下 ThreadLocal 的用法,demo 如下:

      /**
       * ThreadLocal 中保存的数据是 Map
       */
      static final ThreadLocal> context = new ThreadLocal<>();
      @Test
      public void testThread() {
        // 从上下文中拿出 Map
        Map contextMap = context.get();
        if (CollectionUtils.isEmpty(contextMap)) {
          contextMap = Maps.newHashMap();
        }
        contextMap.put("key1", "value1");
        context.set(contextMap);
        log.info("key1,value1被放到上下文中");
      	// 从上下文中拿出刚才放进去的数据
        getFromComtext();
      }
      private String getFromComtext() {
        String value1 = context.get().get("key1");
        log.info("从 ThreadLocal 中取出上下文,key1 对应的值为:{}", value1);
        return value1;
      }
      //运行结果:
      demo.ninth.ThreadLocalDemo - key1,value1被放到上下文中
      demo.ninth.ThreadLocalDemo - 从 ThreadLocal 中取出上下文,key1 对应的值为:value1

      从运行结果中可以看到,key1 对应的值已经从上下文中拿到了。

      getFromComtext 方法是没有接受任何入参的,通过 context.get().get(“key1”) 这行代码就从上下文中拿到了 key1 的值,接下来我们一起来看下 ThreadLocal 底层是如何实现上下文的传递的。

      2、类结构

      2.1、类泛型

      ThreadLocal 定义类时带有泛型,说明 ThreadLocal 可以储存任意格式的数据,源码如下:

      public class ThreadLocal {}

      2.2、关键属性

      ThreadLocal 有几个关键属性,我们一一看下:

      // threadLocalHashCode 表示当前 ThreadLocal 的 hashCode,用于计算当前 ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中的索引位置
      private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
      // 计算 ThreadLocal 的 hashCode 值(就是递增)
      private static int nextHashCode() {
          return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
      }
      // static + AtomicInteger 保证了在一台机器中每个 ThreadLocal 的 threadLocalHashCode 是唯一的
      // 被 static 修饰非常关键,因为一个线程在处理业务的过程中,ThreadLocalMap 是会被 set 多个 ThreadLocal 的,多个 ThreadLocal 就依靠 threadLocalHashCode 进行区分
      private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

      还有一个重要属性:ThreadLocalMap,当一个线程有多个 ThreadLocal 时,需要一个容器来管理多个 ThreadLocal,ThreadLocalMap 的作用就是这个,管理线程中多个 ThreadLocal。

      2.2.1、ThreadLocalMap

      ThreadLocalMap 本身就是一个简单的 Map 结构,key 是 ThreadLocal,value 是 ThreadLocal 保存的值,底层是数组的数据结构,源码如下:

      // threadLocalHashCode 表示当前 ThreadLocal 的 hashCode,用于计算当前 ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中的索引位置
      private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
      // 计算 ThreadLocal 的 hashCode 值(就是递增)
      private static int nextHashCode() {
          return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
      }
      // static + AtomicInteger 保证了在一台机器中每个 ThreadLocal 的 threadLocalHashCode 是唯一的
      // 被 static 修饰非常关键,因为一个线程在处理业务的过程中,ThreadLocalMap 是会被 set 多个 ThreadLocal 的,多个 ThreadLocal 就依靠 threadLocalHashCode 进行区分
      private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

      从源码中看到 ThreadLocalMap 其实就是一个简单的 Map 结构,底层是数组,有初始化大小,也有扩容阈值大小,数组的元素是 Entry,Entry 的 key 就是 ThreadLocal 的引用,value 是 ThreadLocal 的值。

      3、ThreadLocal 是如何做到线程之间数据隔离的

      ThreadLocal 是线程安全的,我们可以放心使用,主要因为是 ThreadLocalMap 是线程的属性,我们看下线程 Thread 的源码,如下:

      java编程ThreadLocal上下传递源码分析

      从上图中,我们可以看到 ThreadLocals.ThreadLocalMap 和 InheritableThreadLocals.ThreadLocalMap 分别是线程的属性,所以每个线程的 ThreadLocals 都是隔离独享的。

      父线程在创建子线程的情况下,会拷贝 inheritableThreadLocals 的值,但不会拷贝 threadLocals 的值,源码如下:

      java编程ThreadLocal上下传递源码分析

      从上图中我们可以看到,在线程创建时,会把父线程的 inheritableThreadLocals 属性值进行拷贝。

      4、set 方法 

      set 方法的主要作用是往当前 ThreadLocal 里面 set 值,假如当前 ThreadLocal 的泛型是 Map,那么就是往当前 ThreadLocal 里面 set map,源码如下:

      // set 操作每个线程都是串行的,不会有线程安全的问题
      public void set(T value) {
          Thread t = Thread.currentThread();
          ThreadLocalMap map = getMap(t);
          // 当前 thradLocal 之前有设置值,直接设置,否则初始化
          if (map != null)
              map.set(this, value);
          // 初始化ThreadLocalMap
          else
              createMap(t, value);
      }

      代码逻辑比较清晰,我们在一起来看下 ThreadLocalMap.set 的源码,如下:

      private void set(ThreadLocal key, Object value) {
          Entry[] tab = table;
          int len = tab.length;
          // 计算 key 在数组中的下标,其实就是 ThreadLocal 的 hashCode 和数组大小-1取余
          int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
       
          // 整体策略:查看 i 索引位置有没有值,有值的话,索引位置 + 1,直到找到没有值的位置
          // 这种解决 hash 冲突的策略,也导致了其在 get 时查找策略有所不同,体现在 getEntryAfterMiss 中
          for (Entry e = tab[i];
               e != null;
               // nextIndex 就是让在不超过数组长度的基础上,把数组的索引位置 + 1
               e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
              ThreadLocal k = e.get();
              // 找到内存地址一样的 ThreadLocal,直接替换
              if (k == key) {
                  e.value = value;
                  return;
              }
              // 当前 key 是 null,说明 ThreadLocal 被清理了,直接替换掉
              if (k == null) {
                  replaceStaleEntry(key, value, i);
                  return;
              }
          }
          // 当前 i 位置是无值的,可以被当前 thradLocal 使用
          tab[i] = new Entry(key, value);
          int sz = ++size;
          // 当数组大小大于等于扩容阈值(数组大小的三分之二)时,进行扩容
          if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
              rehash();
      }

      上面源码我们注意几点:

      • 是通过递增的 AtomicInteger 作为 ThreadLocal 的 hashCode 的;

      • 计算数组索引位置的公式是:hashCode 取模数组大小,由于 hashCode 不断自增,所以不同的 hashCode 大概率上会计算到同一个数组的索引位置(但这个不用担心,在实际项目中,ThreadLocal 都很少,基本上不会冲突);

      • 通过 hashCode 计算的索引位置 i 处如果已经有值了,会从 i 开始,通过 +1 不断的往后寻找,直到找到索引位置为空的地方,把当前 ThreadLocal 作为 key 放进去。

      好在日常工作中使用 ThreadLocal 时,常常只使用 1~2 个 ThreadLocal,通过 hash 计算出重复的数组的概率并不是很大。

      set 时的解决数组元素位置冲突的策略,也对 get 方法产生了影响,接着我们一起来看一下 get 方法。

      5、get 方法

      get 方法主要是从 ThreadLocalMap 中拿到当前 ThreadLocal 储存的值,源码如下:

      public T get() {
          // 因为 threadLocal 属于线程的属性,所以需要先把当前线程拿出来
          Thread t = Thread.currentThread();
          // 从线程中拿到 ThreadLocalMap
          ThreadLocalMap map = getMap(t);
          if (map != null) {
              // 从 map 中拿到 entry,由于 ThreadLocalMap 在 set 时的 hash 冲突的策略不同,导致拿的时候逻辑也不太一样
              ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
              // 如果不为空,读取当前 ThreadLocal 中保存的值
              if (e != null) {
                  @SuppressWarnings("unchecked")
                  T result = (T)e.value;
                  return result;
              }
          }
          // 否则给当前线程的 ThreadLocal 初始化,并返回初始值 null
          return setInitialValue();
      }

      接着我们来看下 ThreadLocalMap 的 getEntry 方法,源码如下:

      // 得到当前 thradLocal 对应的值,值的类型是由 thradLocal 的泛型决定的
      // 由于 thradLocalMap set 时解决数组索引位置冲突的逻辑,导致 thradLocalMap get 时的逻辑也是对应的
      // 首先尝试根据 hashcode 取模数组大小-1 = 索引位置 i 寻找,找不到的话,自旋把 i+1,直到找到索引位置不为空为止
      private Entry getEntry(ThreadLocal key) {
          // 计算索引位置:ThreadLocal 的 hashCode 取模数组大小-1
          int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
          Entry e = table[i];
          // e 不为空,并且 e 的 ThreadLocal 的内存地址和 key 相同,直接返回,否则就是没有找到,继续通过 getEntryAfterMiss 方法找
          if (e != null && e.get() == key)
              return e;
          else
          // 这个取数据的逻辑,是因为 set 时数组索引位置冲突造成的  
              return getEntryAfterMiss(key, i, e);
      }
      // 自旋 i+1,直到找到为止
      private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal key, int i, Entry e) {
          Entry[] tab = table;
          int len = tab.length;
          // 在大量使用不同 key 的 ThreadLocal 时,其实还蛮耗性能的
          while (e != null) {
              ThreadLocal k = e.get();
              // 内存地址一样,表示找到了
              if (k == key)
                  return e;
              // 删除没用的 key
              if (k == null)
                  expungeStaleEntry(i);
              // 继续使索引位置 + 1
              else
                  i = nextIndex(i, len);
              e = tab[i];
          }
          return null;
      }

      get 逻辑源码中注释已经写的很清楚了,我们就不重复说了。

      6、扩容

      ThreadLocalMap 中的 ThreadLocal 的个数超过阈值时,ThreadLocalMap 就要开始扩容了,我们一起来看下扩容的逻辑:

      //扩容
      private void resize() {
          // 拿出旧的数组
          Entry[] oldTab = table;
          int oldLen = oldTab.length;
          // 新数组的大小为老数组的两倍
          int newLen = oldLen * 2;
          // 初始化新数组
          Entry[] newTab = new Entry[newLen];
          int count = 0;
          // 老数组的值拷贝到新数组上
          for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
              Entry e = oldTab[j];
              if (e != null) {
                  ThreadLocal k = e.get();
                  if (k == null) {
                      e.value = null; // Help the GC
                  } else {
                      // 计算 ThreadLocal 在新数组中的位置
                      int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                      // 如果索引 h 的位置值不为空,往后+1,直到找到值为空的索引位置
                      while (newTab[h] != null)
                          h = nextIndex(h, newLen);
                      // 给新数组赋值
                      newTab[h] = e;
                      count++;
                  }
              }
          }
          // 给新数组初始化下次扩容阈值,为数组长度的三分之二
          setThreshold(newLen);
          size = count;
          table = newTab;
      }

      源码注解也比较清晰,我们注意两点:

      • 扩容后数组大小是原来数组的两倍;

      • 扩容时是绝对没有线程安全问题的,因为 ThreadLocalMap 是线程的一个属性,一个线程同一时刻只能对 ThreadLocalMap 进行操作,因为同一个线程执行业务逻辑必然是串行的,那么操作 ThreadLocalMap 必然也是串行的。

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