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Java中ThreadLocal的用法和原理是什麼

王林

發布： 2023-04-13 17:31:12

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用法

隔離各個執行緒間的資料
#避免在執行緒內每個方法都進行傳參，執行緒內的所有方法都可以直接取得到ThreadLocal中管理的物件。

package com.example.test1.service;

import org.springframework.scheduling.annotation.Async;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

@Component
public class AsyncTest {

    // 使用threadlocal管理
    private static final ThreadLocal dateFormatLocal =
            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd"));

    // 不用threadlocal进行管理，用于对比
    SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat();

    // 线程名称以task开头
    @Async("taskExecutor")
    public void formatDateSync(String format, Date date) throws InterruptedException {
        SimpleDateFormat simpleDateFormat = dateFormatLocal.get();
        simpleDateFormat.applyPattern(format);
        
        // 所有方法都可以直接使用这个变量，而不用根据形参传入
        doSomething();
        
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("sync " + Thread.currentThread().getName() +  " | " + simpleDateFormat.format(date));
        
        // 线程执行完毕，清除数据
        dateFormatLocal.remove();
    }

    // 线程名称以task2开头
    @Async("taskExecutor2")
    public void formatDate(String format, Date date) throws InterruptedException {
        dateFormat.applyPattern(format);
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("normal " + Thread.currentThread().getName() +  " | " + dateFormat.format(date));
    }
}

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使用junit進行測試：

@Test
void test2() throws InterruptedException {
for(int index = 1; index <= 10; ++index){
String format = index + "-yyyy-MM-dd";
Date time = new Date();
asyncTest.formatDate(format, time);
}

for(int index = 1; index <= 10; ++index){
String format = index + "-yyyy-MM-dd";
Date time = new Date();
asyncTest.formatDateSync(format, time);
}
}

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結果如下，可以看到沒有被 ThreadLocal 管理的變數已經無法匹配正確的format。

sync task--10 | 10-2023-04-11
sync task--9 | 9-2023-04-11
normal task2-3 | 2-2023- 04-11
normal task2-5 | 2-2023-04-11
normal task2-10 | 2-2023-04-11
normal task2-6 | 2-2023-04-11
sync task--1 | 1-2023-04-11
normal task2-7 | 2-2023-04-11
normal task2-8 | 2-2023-04-11
normal task2- 9 | 2-2023-04-11
sync task--6 | 6-2023-04-11
sync task--3 | 3-2023-04-11
sync task--2 | 2-2023-04-11
sync task--7 | 7-2023-04-11
sync task--4 | 4-2023-04-11
sync task--8 | 8- 2023-04-11
normal task2-4 | 2-2023-04-11
normal task2-1 | 2-2023-04-11
sync task--5 | 5-2023-04- 11
normal task2-2 | 2-2023-04-11

#實作原理

從ThreadLocal中取得資料的過程：

先取得對應的執行緒。

透過 getMap(t)拿到執行緒中的 ThreadLocalMap

ThreadLocalMap 是重新實作的散列表，基於兩個元素實作雜湊：

使用者定義的ThreadLocal對象，例如：dateFormatLocal。
封裝了value的Entry物件。

透過map.getEntry(this)方法，根據目前的 threadlocal物件在散列列表中獲得對應的Entry

如果是第一次使用get()，則使用 setInitialValue()呼叫使用者重寫的initialValue()方法建立map並使用使用者指定的值初始化。

在這個設計方式下，執行緒死去的時候，執行緒共享變數ThreadLocalMap會被銷毀。

public T get() {
    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;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

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注意 Entry物件是弱引用：

static class Entry extends WeakReference> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

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

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弱引用的常見用法是：

WeakReference weakReference = new WeakReference<>(new RoleDTO());

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因此，在Entry中，k 代表ThreadLocal對象，它是弱引用。 v代表ThreadLocal管理的那個value，是強引用。

記憶體洩漏

記憶體洩漏是指無用物件（不再使用的物件）持續佔有記憶體或無用物件的記憶體無法及時釋放，從而造成記憶體空間的浪費稱為記憶體洩漏。隨著垃圾回收器活動的增加以及記憶體佔用的不斷增加，程式效能會逐漸表現出來下降，極端情況下，會引發OutOfMemoryError導致程式崩潰。

記憶體洩漏問題主要在執行緒池中出現，因為執行緒池中的執行緒是不斷執行的，從任務佇列中不斷取得新的任務執行。但是任務中可能有ThreadLocal對象，這些對象的ThreadLocal會保存在線程的ThreadLocalMap中，所以ThreadLocalMap會越來越大。

但是ThreadLocal是由任務（worker）傳入的，在一個任務執行結束後，對應的ThreadLocal物件會被銷毀。線程中的關係是： Thread -> ThreadLoalMap -> Entry。 ThreadLocal由於是弱引用會，在GC的時候會被銷毀，這會導致 ThreadLoalMap中存在Entry。

使用remove()

由於執行緒池中的執行緒一直在運行，如果不對ThreadLoalMap進行清理，那麼Entry< null, Object>會一直佔用記憶體。 remove()方法會清除key==null的Entry。

使用static修飾

將ThreadLocal設定成static可以避免一個執行緒類別多次傳入執行緒池後重複建立Entry。例如，有一個使用者定義的執行緒

public class Test implements Runnable{
    private static ThreadLocal local = new ThreadLocal<>();
    @Override
    public void run() {
        // do something
    }
}

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使用執行緒池處理10個任務。那麼在線程池中每個用來處理任務的線程的Thread.ThreadLocalMap中都會保存一個Entry，由於添加了static關鍵字，所有每個執行緒中的Entry中的local變數所引用的都是同一個變數。這時就算發生記憶體洩漏，所有的Test類別也只有一個local對象，不會導致記憶體佔用過多。

@Test
void contextLoads() {
   Runnable runnable = () -> {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName());
   };

   for(int index = 1; index <= 10; ++index){
      taskExecutor2.submit(new com.example.test1.service.Test());
   }
}

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