2018-04-03

JUC ThreadLocal

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ThreadLocal从其命名上就可以知道其意图是创建线程本地变量，就是希望同一个变量在不同的线程中拥有各自的值并且互不影响，其非常适合用来作为线程上下文变量，比如在一些连接池或者事务的场景中。

其思路是让每个Thread都持有一个私有的ThreadLocalMap，然后使用共享的key来保存值，而这个key就是共享的ThreadLocal实例，因此每个ThreadLocal也就对应一个本地变量。。但是，如果这个本地变量本身就是一个线程共享的对象，那么就算使用ThreadLocal也不是线程安全的。另外，设计者将具体的map操作都封装在了ThreadLocal中，然后提供统一的get/set接口，好让开发更加简洁方便。

1. 结构

先看一下Map中的元素Entry，其使用了弱引用来封装key

java.lang.ThreadLocal

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {

    Object value;

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

至于使用弱引用自然是为了当ThreadLocal不再共享时，能尽快被回收。考虑如下场景：在方法中创建并使用ThreadLocal

public void threadContext(){
    ThreadLocal<Object> local = new ThreadLocal<>();
    local.set(new Object());
	
    local = new ThreadLocal<>();
    //...
}

如果key使用的是强引用，那么即便这里的实例被重置了或者方法结束了，只要线程没结束，ThreadLocal实例就无法被GC，尤其在一些使用线程池的场景中。另外，虽然使用了弱引用，但在一些线程复用的场景中（比如线程池），如果确定了ThreadLocal不再使用，最好也主动remove，以免内存泄漏。

不过，一般情况下，ThreadLocal作为key都是由线程共享的，因此通常会定义为静态对象，或者由其它线程共享的对象持有。

2. 接口

2.1. set

首先获取当前线程持有的map，如果没有则创建，然后以当前ThreadLocal作为key来保存值

java.lang.ThreadLocal

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

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

至于set逻辑都封装在ThreadLocalMap中，这里需要考虑hash冲突、清理已经被回收的key、以及扩容等问题，但是作者非常巧妙地通过环形遍历来解决hash冲突的问题，并充分利用了空间，具体下面的注释已经非常详细，就不再赘述

java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
	
    // 从hash确定的位置开始，向后环形遍历
    for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        // 遇到相同key，则直接覆盖，并返回
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == key) { 
            e.value = value;
            return;
        }

        // 遇到过期Entry，则从当前位置向后环形遍历直至遇到null为止（因为由于hash冲突的处理方式，key可能在当前位置之后）
        // 如果找到相同的key则进行覆盖，否则在过期Entry的位置上新建个Entry代替，
        // 另外，会尝试找其它过期Entry的位置，并纪录下来以便帮忙清理  
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i); 
            return;
        }
    }

    // 直到为null的位置，都没遇到上面的情况，则就地新建Entry，然后尝试删除过期的Entry，没有则检查是否需要扩容
    tab[i] = new Entry(key, value); 
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)  // 这里保证了每次set一定能找到空位置
        rehash();
}

// 向后环型遍历
private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0); 
}

private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value, int staleSlot) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    Entry e;

    // 向前环形遍历直至为null，找到最前面过期Entry的位置，并记为slotToExpunge，作为下面清理的起点
    // 这样做是因为如果出现了过期Entry，则大概率在其附近还会有其它过期的Entry，毕竟GC时是平等的，没有只针对哪个
    int slotToExpunge = staleSlot;
    for (int i = prevIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = prevIndex(i, len))
        if (e.get() == null)
            slotToExpunge = i;

    // 向后环形遍历直至为null
    for (int i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        // 如果遇到了相同key，则直接覆盖值，并提前结束
        if (k == key) {
            e.value = value;
            tab[i] = tab[staleSlot];
            tab[staleSlot] = e;  // 交换下位置，将key放到其hash对应的正确位置上

            // 如果没发现其它过期的Entry，那么就清除位置staleSlot上的，不过现在的位置是i
            if (slotToExpunge == staleSlot) 
                slotToExpunge = i; 
            cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
            return;
        }

        // 如果之前向前遍历没有发现其它的过期Entry，但现在又发现了，那么重置下清理的起点
        if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
            slotToExpunge = i;
    }

    // 没有遇到相同key的Entry，那么在过期Entry的位置上创建一个新的代替
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = new Entry(key, value);

    if (slotToExpunge != staleSlot) // 如果还存在其它的过期Entry，则进行清理
        cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}

private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
    boolean removed = false;
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
	
    // 由于环形遍历没有尽头，所以清理时默认只向后遍历log(n)次
    // 如果遍历过程中发现有过期的Entry，则重置n为tab.length，并跳到下一个为null的位置，然后再向后遍历log(len)次
    // 这里设定的 threshold = (2/3) * tab.length，以及默认遍历log(size)次，应该是综合考虑了效率和成本
    do {
        i = nextIndex(i, len); 
        Entry e = tab[i];
        if (e != null && e.get() == null) {
            n = len; 
            removed = true;
            i = expungeStaleEntry(i); // 清除当前Entry，并尝试继续向后清除过期Entry，直至为null的位置返回
        }
    } while ( (n >>>= 1) != 0);
    return removed;
}

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    // 清除过期Entry
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = null;
    size--;

    Entry e;
    int i;
    // 向后遍历，直到遇到Entry为null的位置
    // 遍历过程中如果遇到过期的Entry，则帮忙清除
    // 否则如果Entry之前由于hash冲突导致位置不对（往后顺延了），则帮忙调整一下位置（尽量靠近正确的位置）
    for (i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == null) {
            e.value = null;
            tab[i] = null;
            size--;
        } else {
            int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
            if (h != i) {
                tab[i] = null;
                while (tab[h] != null) // 如果发现位置h也已经有了Entry，则向后顺延
                    h = nextIndex(h, len);
                tab[h] = e;
            }
        }
    }
    return i;
}

2.2. get

获取则比较简单，就是尝试从map中获取值，如果map为空则创建，并提供了方法来初始化创建时的值

java.lang.ThreadLocal

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();
}

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;
}

protected T initialValue() {
    return null;
}

至于map获取的过程也是类似，即如果位置上的key不对，则向后环形遍历，如果遇到了就返回，否则如果遇到了过期Entry则帮忙清理，如果直至null也没有遇到则返回空

java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    while (e != null) { // 向后环形遍历，直至为null
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == key) // 找到了直接返回
            return e;
			
        if (k == null) // 过期Entry则帮忙清理，与上面一样
            expungeStaleEntry(i);
        else
            i = nextIndex(i, len); 
        e = tab[i];
    }
    return null; // 没有这个hash对应的ThreadLocal，直接返回null
}

2.3. remove

java.lang.ThreadLocal

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap

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) {
            e.clear();
            expungeStaleEntry(i); // 清除当前Entry，并尝试继续向后清除过期Entry，直至为null的位置返回
            return;
        }
    }
}

3. InheritableThreadLocal

如果希望值能够在父子线程之间传递，即当前线程的值能够在其创建的线程中继续使用，则可以使用InheritableThreadLocal，其实现基本一样，区别在于Thread初始化的时候会拿父线程InheritableThreadLocal的值来给子线程初始化

参考：

Echo

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JUC ThreadLocal

1. 结构

2. 接口

2.1. set

2.2. get

2.3. remove

3. InheritableThreadLocal