原文：https://mp.weixin.qq.com/s/K-8aNF3gqg3ekrRbTsjo9w

在展开深入分析之前，咱们先来看一个官方示例：

出处来源于ThreadLocal类上的注释，其中main方法是笔者加上的。

 1 import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 2
 3public class ThreadId {
 4    // Atomic integer containing the next thread ID to be assigned
 5    private static final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger(0);
 6
 7    // Thread local variable containing each thread's ID
 8    private static final ThreadLocal<Integer> threadId = new ThreadLocal<Integer>() {
 9        @Override
10        protected Integer initialValue() {
11            return nextId.getAndIncrement();
12        }
13    };
14
15    // Returns the current thread's unique ID, assigning it if necessary
16    public static int get() {
17        return threadId.get();
18    }
19
20    public static void main(String[] args) {
21        for (int i = 0; i < 5; i++) {
22            new Thread(new Runnable() {
23                @Override
24                public void run() {
25                    System.out.println("threadName=" + Thread.currentThread().getName() + ",threadId=" + ThreadId.get());
26                }
27            }).start();
28        }
29    }
30}

运行结果如下：

1 threadName=Thread-0,threadId=0
2 threadName=Thread-1,threadId=1
3 threadName=Thread-2,threadId=2
4 threadName=Thread-3,threadId=3
5 threadName=Thread-4,threadId=4

我问：看完这个例子，您知道ThreadLocal是干什么的了吗？ 您答：不知道，没感觉，一个hello world的例子，完全激发不了我的兴趣。 您问：那个谁，你敢不敢举一个生产级的、工作中真实能用的例子？ 我答：得，您是"爷"，您说啥我就做啥。还记得《Spring Cloud Netflix Zuul源码分析之请求处理篇》中提到的RequestContext吗？这就是一个生产级的运用啊。Zuul核心原理是什么？就是将请求放入过滤器链中经过一个个过滤器的处理，过滤器之间没有直接的调用关系，处理的结果都是存放在RequestContext里传递的，而这个RequestContext就是一个ThreadLocal类型的对象啊！！！

1public class RequestContext extends ConcurrentHashMap<String, Object> {
 2
 3    protected static final ThreadLocal<? extends RequestContext> threadLocal = new ThreadLocal<RequestContext>() {
 4        @Override
 5        protected RequestContext initialValue() {
 6            try {
 7                return contextClass.newInstance();
 8            } catch (Throwable e) {
 9                throw new RuntimeException(e);
10            }
11        }
12    };
13
14    public static RequestContext getCurrentContext() {
15        if (testContext != null) return testContext;
16
17        RequestContext context = threadLocal.get();
18        return context;
19    }
20}

以Zuul中前置过滤器DebugFilter为例:

 1 public class DebugFilter extends ZuulFilter {
 2
 3    @Override
 4    public Object run() {
 5        // 获取ThreadLocal对象RequestContext
 6        RequestContext ctx = RequestContext.getCurrentContext();
 7        // 它是一个map，可以放入数据，给后面的过滤器使用
 8        ctx.setDebugRouting(true);
 9        ctx.setDebugRequest(true);
10        return null;
11    }
12}

What is this

它是啥？它是一个支持泛型的java类啊，抛开里面的静态内部类ThreadLocalMap不说，其实它没几行代码，不信，您自己去看看。它用来干啥？类上注释说的很明白：

它能让线程拥有了自己内部独享的变量

每一个线程可以通过get、set方法去进行操作

可以覆盖initialValue方法指定线程独享的值

通常会用来修饰类里private static final的属性，为线程设置一些状态信息，例如user ID或者Transaction ID

每一个线程都有一个指向threadLocal实例的弱引用，只要线程一直存活或者该threadLocal实例能被访问到，都不会被垃圾回收清理掉

爱提问的您，一定会有疑惑，demo里只是调用了ThreadLocal.get()方法，它如何实现这伟大的一切呢？这就是笔者下面要讲的内容，走着~~~

我有我的map

话不多说，我们来看get方法内部实现：

get()源码

 1 public T get() {
 2    Thread t = Thread.currentThread();
 3    ThreadLocalMap map = getMap(t);
 4    if (map != null) {
 5        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
 6        if (e != null) {
 7            @SuppressWarnings("unchecked")
 8            T result = (T)e.value;
 9            return result;
10        }
11    }
12    return setInitialValue();
13}

逻辑很简单：

• 获取当前线程内部的ThreadLocalMap
• map存在则获取当前ThreadLocal对应的value值
• map不存在或者找不到value值，则调用setInitialValue，进行初始化

setInitialValue()源码

 1 private T setInitialValue() {
 2    T value = initialValue();
 3    Thread t = Thread.currentThread();
 4    ThreadLocalMap map = getMap(t);
 5    if (map != null)
 6        map.set(this, value);
 7    else
 8        createMap(t, value);
 9    return value;
10 }

逻辑也很简单：

调用initialValue方法，获取初始化值【调用者通过覆盖该方法，设置自己的初始化值】

• 获取当前线程内部的ThreadLocalMap
• map存在则把当前ThreadLocal和value添加到map中
• map不存在则创建一个ThreadLocalMap，保存到当前线程内部

时序图

小结 至此，您能回答ThreadLocal的实现原理了吗？没错，map，一个叫做ThreadLocalMap的map，这是关键。每一个线程都有一个私有变量，是ThreadLocalMap类型。当为线程添加ThreadLocal对象时，就是保存到这个map中，所以线程与线程间不会互相干扰。总结起来，一句话：我有我的young，哦，不对，是我有我的map。弄清楚了这些，是不是使用的时候就自信了很多。但是，这是不是就意味着可以大胆的去使用了呢？其实，不尽然，有一个“大坑”在等着你。

神奇的remove

那个“大坑”指的就是因为ThreadLocal使用不当，会引发内存泄露的问题。笔者给出两段示例代码，来说明这个问题。

代码出处来源于Stack Overflow：https://stackoverflow.com/questions/17968803/threadlocal-memory-leak

示例一：

 1 public class MemoryLeak {
 2
 3    public static void main(String[] args) {
 4        new Thread(new Runnable() {
 5            @Override
 6            public void run() {
 7                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
 8                    TestClass t = new TestClass(i);
 9                    t.printId();
10                    t = null;
11                }
12            }
13        }).start();
14    }
15
16    static class TestClass{
17        private int id;
18        private int[] arr;
19        private ThreadLocal<TestClass> threadLocal;
20        TestClass(int id){
21            this.id = id;
22            arr = new int[1000000];
23            threadLocal = new ThreadLocal<>();
24            threadLocal.set(this);
25        }
26
27        public void printId(){
28            System.out.println(threadLocal.get().id);
29        }
30    }
31}

运行结果：

 10
 21
 32
 43
 5...省略...
 6440
 7441
 8442
 9443
10444
11Exception in thread "Thread-0" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
12    at com.gentlemanqc.MemoryLeak$TestClass.<init>(MemoryLeak.java:33)
13    at com.gentlemanqc.MemoryLeak$1.run(MemoryLeak.java:16)
14    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

对上述代码稍作修改，请看：

 1public class MemoryLeak {
 2
 3    public static void main(String[] args) {
 4        new Thread(new Runnable() {
 5            @Override
 6            public void run() {
 7                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
 8                    TestClass t = new TestClass(i);
 9                    t.printId();
10                    t.threadLocal.remove();
11                }
12            }
13        }).start();
14    }
15
16    static class TestClass{
17        private int id;
18        private int[] arr;
19        private ThreadLocal<TestClass> threadLocal;
20        TestClass(int id){
21            this.id = id;
22            arr = new int[1000000];
23            threadLocal = new ThreadLocal<>();
24            threadLocal.set(this);
25        }
26
27        public void printId(){
28            System.out.println(threadLocal.get().id);
29        }
30    }
31}

运行结果：

10
21
32
43
5...省略...
6996
7997
8998
9999

一个内存泄漏，一个正常完成，对比代码只有一处不同：t = null改为了t.threadLocal.remove(); 哇，神奇的remove！！！笔者先留个悬念，暂且不去分析原因。我们先来看看上述示例中涉及到的两个方法：set()和remove()。

set(T value)源码

1public void set(T value) {
2    Thread t = Thread.currentThread();
3    ThreadLocalMap map = getMap(t);
4    if (map != null)
5        map.set(this, value);
6    else
7        createMap(t, value);
8}

逻辑很简单：

• 获取当前线程内部的ThreadLocalMap
• map存在则把当前ThreadLocal和value添加到map中
• map不存在则创建一个ThreadLocalMap，保存到当前线程内部

remove源码

1public void remove() {
2    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
3    if (m != null)
4     m.remove(this);
5}

就一句话，获取当前线程内部的ThreadLocalMap，存在则从map中删除这个ThreadLocal对象。

小结

讲到这里，ThreadLocal最常用的四种方法都已经说完了，细心的您是不是已经发现，每一个方法都离不开一个类，那就是ThreadLocalMap。所以，要更好的理解ThreadLocal，就有必要深入的去学习这个map。

无处不在的ThreadLocalMap

还是老规矩，先来看看类上的注释，翻译过来就是这么几点：

• ThreadLocalMap是一个自定义的hash map，专门用来保存线程的thread local变量
• 它的操作仅限于ThreadLocal类中，不对外暴露
• 这个类被用在Thread类的私有变量threadLocals和inheritableThreadLocals上
• 为了能够保存大量且存活时间较长的threadLocal实例，hash table entries采用了WeakReferences作为key的类型
• 一旦hash table运行空间不足时，key为null的entry就会被清理掉

我们来看下类的声明信息：

 1 static class ThreadLocalMap {
 2
 3    // hash map中的entry继承自弱引用WeakReference，指向threadLocal对象
 4    // 对于key为null的entry，说明不再需要访问，会从table表中清理掉
 5    // 这种entry被成为“stale entries”
 6    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
 7        /** The value associated with this ThreadLocal. */
 8        Object value;
 9
10        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
11            super(k);
12            value = v;
13        }
14    }
15
16    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
17
18    private Entry[] table;
19
20    private int size = 0;
21
22    private int threshold; // Default to 0
23
24    private void setThreshold(int len) {
25        threshold = len * 2 / 3;
26    }
27
28    ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
29        table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
30        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
31        table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
32        size = 1;
33        setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
34    }
35}

当创建一个ThreadLocalMap时，实际上内部是构建了一个Entry类型的数组，初始化大小为16，阈值threshold为数组长度的2/3，Entry类型为WeakReference，有一个弱引用指向ThreadLocal对象。

为什么Entry采用WeakReference类型？ Java垃圾回收时，看一个对象需不需要回收，就是看这个对象是否可达。什么是可达，就是能不能通过引用去访问到这个对象。(当然，垃圾回收的策略远比这个复杂，这里为了便于理解，简单给大家说一下)。

jdk1.2以后，引用就被分为四种类型：强引用、弱引用、软引用和虚引用。强引用就是我们常用的Object obj = new Object()，obj就是一个强引用，指向了对象内存空间。当内存空间不足时，Java垃圾回收程序发现对象有一个强引用，宁愿抛出OutofMemory错误，也不会去回收一个强引用的内存空间。而弱引用，即WeakReference，意思就是当一个对象只有弱引用指向它时，垃圾回收器不管当前内存是否足够，都会进行回收。反过来说，这个对象是否要被垃圾回收掉，取决于是否有强引用指向。ThreadLocalMap这么做，是不想因为自己存储了ThreadLocal对象，而影响到它的垃圾回收，而是把这个主动权完全交给了调用方，一旦调用方不想使用，设置ThreadLocal对象为null，内存就可以被回收掉。

内存溢出问题解答 至此，该做的铺垫都已经完成了，此时，我们可以来看看上面那个内存泄漏的例子。示例中执行一次for循环里的代码后，对应的内存状态：

• t为创建TestClass对象返回的引用，临时变量，在一次for循环后就执行出栈了
• thread为创建Thread对象返回的引用，run方法在执行过程中，暂时不会执行出栈

调用t=null后，虽然无法再通过t访问内存地址，但是当前线程依旧存活，可以通过thread指向的内存地址，访问到Thread对象，从而访问到ThreadLocalMap对象，访问到value指向的内存空间，访问到arr指向的内存空间，从而导致Java垃圾回收并不会回收int[1000000]@541这一片空间。那么随着循环多次之后，不被回收的堆空间越来越大，最后抛出java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space。 您问：那为什么调用t.threadLocal.remove()就可以呢？ 我答：这就得看remove方法里究竟做了什么了，请看：

是不是恍然大悟？来看下调用remove方法之后的内存状态：

因为remove方法将referent和value都被设置为null，所以ThreadLocal@540和Memory$TestClass@538对应的内存地址都变成不可达，Java垃圾回收自然就会回收这片内存，从而不会出现内存泄漏的错误。

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