ThreadLocal简介
在多线程编程中通常解决线程安全的问题我们会利用synchronzed或者lock控制线程对临界区资源的同步顺序从而解决线程安全的问题，但是这种加锁的方式会让未获取到锁的线程进行阻塞等待，很显然这种方式的时间效率并不是很好。线程安全问题的核心在于多个线程会对同一个临界区共享资源进行操作，那么，如果每个线程都使用自己的“共享资源”，各自使用各自的，又互相不影响到彼此即让多个线程间达到隔离的状态，这样就不会出现线程安全的问题。事实上，这就是一种“空间换时间”的方案，每个线程都会都拥有自己的“共享资源”无疑内存会大很多，但是由于不需要同步也就减少了线程可能存在的阻塞等待的情况从而提高的时间效率。虽然ThreadLocal并不在java.util.concurrent包中而在java.lang包中，但我更倾向于把它当作是一种并发容器（虽然真正存放数据的是ThreadLoclMap）进行归类。从ThreadLocal这个类名可以顾名思义的进行理解，表示线程的“本地变量”，即每个线程都拥有该变量副本，达到人手一份的效果，各用各的这样就可以避免共享资源的竞争。
打个比方说，现在有100个同学需要填写一张表格但是只有一支笔，同步就相当于A使用完这支笔后给B，B使用后给C用......老师就控制着这支笔的使用顺序，使得同学之间不会产生冲突。而threadLocal就相当于，老师直接准备了100支笔，这样每个同学都使用自己的，同学之间就不会产生冲突。很显然这就是两种不同的思路，同步机制以“时间换空间”，由于每个线程在同一时刻共享对象只能被一个线程访问造成整体上响应时间增加，但是对象只占有一份内存，牺牲了时间效率换来了空间效率即“时间换空间”。而threadLocal，为每个线程都分配了一份对象，自然而然内存使用率增加，每个线程各用各的，整体上时间效率要增加很多，牺牲了空间效率换来时间效率即“空间换时间”。
ThreadLocal的实现原理
要想学习到ThreadLocal的实现原理，就必须了解它的几个核心方法，包括怎样存怎样取等等，下面我们一个个来看。
void set(T value)
set方法设置在当前线程中threadLocal变量的值，该方法的源码为：
public void set(T value) {
//1. 获取当前线程实例对象
Thread t = Thread.currentThread();
//2. 通过当前线程实例获取到ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
//3. 如果Map不为null,则以当前threadLocl实例为key,值为value进行存入
map.set(this, value);
else
//4.map为null,则新建ThreadLocalMap并存入value
createMap(t, value);
}
方法的逻辑很清晰，具体请看上面的注释。通过源码我们知道value是存放在了ThreadLocalMap里了，当前先把它理解为一个普普通通的map即可，也就是说，数据value是真正的存放在了ThreadLocalMap这个容器中了，并且是以当前threadLocal实例为key。先简单的看下ThreadLocalMap是什么，有个简单的认识就好，下面会具体说的。
首先ThreadLocalMap是怎样来的？源码很清楚，是通过getMap(t)进行获取：
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
该方法直接返回的就是当前线程对象t的一个成员变量threadLocals：
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
* by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
也就是说ThreadLocalMap的引用是作为Thread的一个成员变量，被Thread进行维护的。回过头再来看看set方法，当map为Null的时候会通过createMap(t，value)方法：
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
该方法就是new一个ThreadLocalMap实例对象，然后同样以当前threadLocal实例作为key,值为value存放到threadLocalMap中，然后将当前线程对象的threadLocals赋值为threadLocalMap。
现在来对set方法进行总结一下： 通过当前线程对象thread获取该thread所维护的threadLocalMap,若threadLocalMap不为null,则以threadLocal实例为key,值为value的键值对存入threadLocalMap,若threadLocalMap为null的话，就新建threadLocalMap然后在以threadLocal为键，值为value的键值对存入即可。
T get()
get方法是获取当前线程中threadLocal变量的值，同样的还是来看看源码：
public T get() {
//1. 获取当前线程的实例对象
Thread t = Thread.currentThread();
//2. 获取当前线程的threadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
//3. 获取map中当前threadLocal实例为key的值的entry
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
//4. 当前entitiy不为null的话，就返回相应的值value
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
//5. 若map为null或者entry为null的话通过该方法初始化，并返回该方法返回的value
return setInitialValue();
}
弄懂了set方法的逻辑，看get方法只需要带着逆向思维去看就好，如果是那样存的，反过来去拿就好。代码逻辑请看注释，另外，看下setInitialValue主要做了些什么事情？
private T setInitialValue() {
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}
这段方法的逻辑和set方法几乎一致，另外值得关注的是initialValue方法:
protected T initialValue() {
return null;
}
这个方法是protected修饰的也就是说继承ThreadLocal的子类可重写该方法，实现赋值为其他的初始值。关于get方法来总结一下：
通过当前线程thread实例获取到它所维护的threadLocalMap，然后以当前threadLocal实例为key获取该map中的键值对（Entry），若Entry不为null则返回Entry的value。如果获取threadLocalMap为null或者Entry为null的话，就以当前threadLocal为Key，value为null存入map后，并返回null。
void remove()
public void remove() {
//1. 获取当前线程的threadLocalMap
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
//2. 从map中删除以当前threadLocal实例为key的键值对
m.remove(this);
}
删除方法则是从ThreadLocalMap中移除该线程对象。
ThreadLocalMap详解
从上面的分析我们已经知道，数据其实都放在了threadLocalMap中，threadLocal的get，set和remove方法实际上具体是通过threadLocalMap的getEntry,set和remove方法实现的。如果想真正全方位的弄懂threadLocal，势必得在对threadLocalMap做一番理解。
Entry数据结构
ThreadLocalMap是threadLocal一个静态内部类，和大多数容器一样内部维护了一个数组，同样的threadLocalMap内部维护了一个Entry类型的table数组。
/**
* The table, resized as necessary.
* table.length MUST always be a power of two.
*/
private Entry[] table;
通过注释可以看出，table数组的长度为2的幂次方。接下来看下Entry是什么：
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
Entry是一个以ThreadLocal为key,Object为value的键值对，另外需要注意的是这里的**threadLocal是弱引用，因为Entry继承了WeakReference，在Entry的构造方法中，调用了super(k)方法就会将threadLocal实例包装成一个WeakReferenece。
注意上图中的实线表示强引用，虚线表示弱引用。如图所示，每个线程实例中可以通过threadLocals获取到threadLocalMap，而threadLocalMap实际上就是一个以threadLocal实例为key，任意对象为value的Entry数组。当我们为threadLocal变量赋值，实际上就是以当前threadLocal实例为key，值为value的Entry往这个threadLocalMap中存放。需要注意的是**Entry中的key是弱引用，当threadLocal外部强引用被置为null(
threadLocalInstance=null),那么系统 GC 的时候，根据可达性分析，这个threadLocal实例就没有任何一条链路能够引用到它，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value，如果当前线程再迟迟不结束的话，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value永远无法回收，造成内存泄漏。**当然，如果当前thread运行结束，threadLocal，threadLocalMap,Entry没有引用链可达，在垃圾回收的时候都会被系统进行回收。
set方法
与concurrentHashMap，hashMap等容器一样，threadLocalMap也是采用散列表进行实现的。
在赋值元素时，包含的主要方式为：散列表、分离链表法、开放定址法。分离链表法和开放定址法主要用于解决散列冲突的问题。
- 散列表
理想状态下，散列表就是一个包含关键字的固定大小的数组，通过使用散列函数，将关键字映射到数组的不同位置。下面是在理想状态下，哈希函数可以将关键字均匀的分散到数组的不同位置，不会出现两个关键字散列值相同（假设关键字数量小于数组的大小）的情况。但是在实际使用中，经常会出现多个关键字散列值相同的情况（被映射到数组的同一个位置），我们将这种情况称为散列冲突。
- 分离链表法
分散链表法使用链表解决冲突，将散列值相同的元素都保存到一个链表中。当查询的时候，首先找到元素所在的链表，然后遍历链表查找对应的元素，典型实现为hashMap，concurrentHashMap的拉链法。下面是一个示意图：
- 开放地址法
开放定址法不会创建链表，当关键字散列到的数组单元已经被另外一个关键字占用的时候，就会尝试在数组中寻找其他的单元，直到找到一个空的单元。探测数组空单元的方式有很多，这里介绍一种最简单的 -- 线性探测法。线性探测法就是从冲突的数组单元开始，依次往后搜索空单元，如果到数组尾部，再从头开始搜索（环形查找）。如下图所示：
set方法的源码为：
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
// We don't use a fast path as with get() because it is at
// least as common to use set() to create new entries as
// it is to replace existing ones, in which case, a fast
// path would fail more often than not.
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//根据threadLocal的hashCode确定Entry应该存放的位置
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
//采用开放地址法，hash冲突的时候使用线性探测
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
//覆盖旧Entry
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
//当key为null时，说明threadLocal强引用已经被释放掉，那么就无法
//再通过这个key获取threadLocalMap中对应的entry，这里就存在内存泄漏的可能性
if (k == null) {
//用当前插入的值替换掉这个key为null的“脏”entry
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
//新建entry并插入table中i处
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
//插入后再次清除一些key为null的“脏”entry,如果大于阈值就需要扩容
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
getEntry方法
getEntry方法源码为：
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
//1. 确定在散列数组中的位置
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
//2. 根据索引i获取entry
Entry e = table[i];
//3. 满足条件则返回该entry
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else
//4. 未查找到满足条件的entry，额外在做的处理
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
方法逻辑很简单，若能当前定位的entry的key和查找的key相同的话就直接返回这个entry，否则的话就是在set的时候存在hash冲突的情况，需要通过getEntryAfterMiss做进一步处理。
getEntryAfterMiss方法为：
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)
//找到和查询的key相同的entry则返回
return e;
if (k == null)
//解决脏entry的问题
expungeStaleEntry(i);
else
//继续向后环形查找
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
return null;
}
这个方法同样很好理解，通过nextIndex往后环形查找，如果找到和查询的key相同的entry的话就直接返回，如果在查找过程中遇到脏entry的话使用expungeStaleEntry方法进行处理。
remove方法
方法逻辑很简单，通过往后环形查找到与指定key相同的entry后，先通过clear方法将key置为null后，使其转换为一个脏entry，然后调用expungeStaleEntry方法将其value置为null，以便垃圾回收时能够清理，同时将table[i]置为null。
/**
* Remove the entry for key.
*/
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) {
//将entry的key置为null
e.clear();
//将该entry的value也置为null
expungeStaleEntry(i);
return;
}
}
}
实例分析
package ThreadLocal;
/**
* @Author: [email protected]
* @Date: 2019-04-08 20:07
* @Description
*/
public class Bank {
/**
* ThreadLocal变量是线程的局部变量
*/
ThreadLocal<Integer> t = ThreadLocal.withInitial(() -> 100);
/**
* 取值
* @return
*/
public int get() {
return t.get();
}
/**
* 赋值
*/
public void set() {
t.set(t.get() + 10);
}
}
package ThreadLocal;
/**
* @Author: [email protected]
* @Date: 2019-04-08 20:15
* @Description
*/
public class Transfer implements Runnable {
Bank bank;
public Transfer(Bank bank) {
this.bank = bank;
}
@Override
public void run() {
bank.set();
System.out.println("Current thread:" + Thread.currentThread().getName() + " " + bank.get());
}
}
package ThreadLocal;
/**
* @Author: [email protected]
* @Date: 2019-04-08 19:49
* @Description
*/
public class ThreadLocalDemo {
public static void main(String[] args) {
Bank bank = new Bank();
//多个线程操作一个变量 但是不同的线程的结果互不影响
Thread a = new Thread(()->{
bank.set();
System.out.println("Current thread:" + Thread.currentThread().getName() + " " + bank.get());
});
a.setName("a");
a.start();
Thread b = new Thread(()->{
bank.set();
System.out.println("Current thread:" + Thread.currentThread().getName() + " " + bank.get());
});
b.setName("b");
b.start();
Thread c = new Thread(()->{
bank.set();
System.out.println("Current thread:" + Thread.currentThread().getName() + " " + bank.get());
});
c.setName("c");
c.start();
}
}