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深入浅出 ThreadLocal

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 arleylee
发布于 2016/08/24 09:47
字数 1207
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  1. 前言
    ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本,所以每个线程可以访问自己内部的副本变量,不同线程之间不会互相干扰。本文会基于实际场景介绍ThreadLocal如何使用以及内部实现机制。
  2. 应用场景
    最近的一个web项目中,由于Parameter对象的数据需要在多个模块中使用,如果采用参数传递的方式,显然会增加模块之间的耦合性。先看看用ThreadLocal是如何实现模块间共享数据的。
    public class ThreadLocalManager {
    	/**
    	 * 判断是否是否被执行一次
    	 */
    	private static ThreadLocal<Boolean> runThread = new ThreadLocal<Boolean>();
    	public static void put(Boolean distinct) {
    		runThread.set(distinct);
        }
        public static Boolean get() {
            return distinctRunThread.get();
        }
        public static void remove() {
             runThread.remove();
        }
    }

    在模块A中通过ThreadLocalManager.put 初始化
    在模块B或模块C中通过ThreadLocalManager.get方法可以获得同一线程中模块A已经初始化的Boolean对象。

  3. 实现原理
    从线程Thread的角度来看,每个线程内部都会持有一个对ThreadLocalMap实例的引用,ThreadLocalMap实例相当于线程的局部变量空间,存储着线程各自的数据,具体如下:
    1. Entry
      Entry继承自WeakReference类,是存储线程私有变量的数据结构。ThreadLocal实例作为引用,意味着如果ThreadLocal实例为null,就可以从table中删除对应的Entry。
      class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            Object value;
            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                 super(k);
                 value = v;
            }
      }

       

    2. ThreadLocalMap
      内部使用table数组存储Entry,默认大小INITIAL_CAPACITY(16),先介绍几个参数:
      1. size:table中元素的数量。
      2. threshold:table大小的2/3,当size >= threshold时,遍历table并删除key为null的元素,如果删除后size >= threshold*3/4时,需要对table进行扩容。
    3. ThreadLocal.set() 实现
      private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
          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)]) {
              ThreadLocal<?> k = e.get();
              if (k == key) {
                  e.value = value;
                  return;
              }
              if (k == null) {
                  replaceStaleEntry(key, value, i);
                  return;
              }
          }
       
          tab[i] = new Entry(key, value);
          int sz = ++size;
          if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
              rehash();
      }

      从上面代码中看出来:

      1. 从当前线程Thread中获取ThreadLocalMap实例。

      2. ThreadLocal实例和value封装成Entry。

    4. 接下去看看Entry存入table数组如何实现的:

      private void resize() {
          Entry[] oldTab = table;
          int oldLen = oldTab.length;
          int newLen = oldLen * 2;
          Entry[] newTab = new Entry[newLen];
          int count = 0;
       
          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 {
                      int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                      while (newTab[h] != null)
                          h = nextIndex(h, newLen);
                      newTab[h] = e;
                      count++;
                  }
              }
          }
       
          setThreshold(newLen);
          size = count;
          table = newTab;
      }

      1. 通过ThreadLocal的nextHashCode方法生成hash值。

      private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
      private static int nextHashCode() {    
       return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
      }

      从nextHashCode方法可以看出,ThreadLocal每实例化一次,其hash值就原子增加HASH_INCREMENT。
      2. 通过 hash & (len -1) 定位到table的位置i,假设table中i位置的元素为f。 如果f != null,假设f中的引用为k:
          1.如果k和当前ThreadLocal实例一致,则修改value值,返回。
          2.如果k为null,说明这个f已经是stale(陈旧的)的元素。调用replaceStaleEntry方          法删除table中所有陈旧的元素(即entry的引用为null)并插入新元素,返回。
          3.否则通过nextIndex方法找到下一个元素f,继续进行步骤3。
      3. 如果f == null,则把Entry加入到table的i位置中。
      4. 通过cleanSomeSlots删除陈旧的元素,如果table中没有元素删除,需判断当前情况下是否要进行扩容。

  4. table扩容
    如果table中的元素数量达到阈值threshold的3/4,会进行扩容操作,过程很简单:
    private void resize() {
        Entry[] oldTab = table;
        int oldLen = oldTab.length;
        int newLen = oldLen * 2;
        Entry[] newTab = new Entry[newLen];
        int count = 0;
     
        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 {
                    int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                    while (newTab[h] != null)
                        h = nextIndex(h, newLen);
                    newTab[h] = e;
                    count++;
                }
            }
        }
     
        setThreshold(newLen);
        size = count;
        table = newTab;
    }

    新建新的数组newTab,大小为原来的2倍。
    复制table的元素到newTab,忽略陈旧的元素,假设table中的元素e需要复制到newTab的i位置,如果i位置存在元素,则找下一个空位置进行插入

  5. ThreadLocal.get() 实现

    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 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);
    }

    获取当前的线程的threadLocals。

    1. 如果threadLocals不为null,则通过ThreadLocalMap.getEntry方法找到对应的entry,如果其引用和当前key一致,则直接返回,否则在table剩下的元素中继续匹配。

    2. 如果threadLocals为null,则通过setInitialValue方法初始化,并返回。
       

      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)
               return e;
           if (k == null)
               expungeStaleEntry(i);
           else
               i = nextIndex(i, len);
           e = tab[i];
       }
       return null;
      }
      

       

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