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ThreadLocal底层原理解析

news 2025/5/23 10:32:52

ThreadLocal

ThreadLocal 是 Java 中提供的一种 线程局部变量机制。它可以让每个线程都拥有自己独立的变量副本，互不干扰

底层原理

核心机制：每个线程中都有一个 ThreadLocalMap，它会将 ThreadLocal 对象作为键，对应的值作为值进行存储。

结构为：Thread → ThreadLocalMap → Entry → ThreadLocal

在这里插入图片描述

Thread

在Thread类有一个ThreadLocalMap，意味着每个线程拥有一个ThreadLocalMap实例

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained* by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap类是在ThreadLocal类中定义的，它是ThreadLocal类的静态内部类

ThreadLocalMap 不需要依赖 ThreadLocal 实例，所以它是静态内部类
ThreadLocalMap 不是一个通用的 Map，它专为 ThreadLocal 服务，甚至用 ThreadLocal 实例作为 key。所以它以内部类的形式封装在ThreadLocal类中

public class ThreadLocal<T> {static class ThreadLocalMap {// 自定义 Map 实现，用来存储每个线程的局部变量}
}

Entry

ThreadLocalMap 类中又定义了一个特殊的内部类 Entry，它是ThreadLocalMap中的元素，每个Entry表示一个 ThreadLocal 对象及其值的绑定。

static class ThreadLocalMap {static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {Object value;Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {super(k);value = v;}}private Entry[] table;
}

这个 Entry 类不是普通的 Map.Entry，它是一个专门用于 ThreadLocalMap 的键值对结构

字段	含义
`ThreadLocal<?> k` （继承自 `WeakReference`）	键：`ThreadLocal`实例，用弱引用包裹
`Object value`	值：`ThreadLocal`实例对应的值

super(k)会调用父类WeakReference<ThreadLocal<?>>的构造方法将ThreadLocal实例包装成弱引用

为什么 Entry 继承 WeakReference？

一句话：为了解决内存泄漏

如果 ThreadLocalMap.Entry 用的是强引用来保存 key（ThreadLocal 对象），那么一旦用户不再使用这个 ThreadLocal，Map 仍然持有这个引用，导致无法被 GC 回收。使用 弱引用（WeakReference<ThreadLocal<?>>），当外部不再持有 ThreadLocal 对象时，GC 可以正常清理它。

举例理解

ThreadLocal<String> t = new ThreadLocal<>();
t.set("hello");
t = null; // 用户代码放弃了引用

Entry拥有的是ThreadLocal实例的弱引用，t拥有的是ThreadLocal实例的强引用；由于此时ThreadLocal实例有强引用不会被回收，t = null之后，t不再拥有ThreadLocal实例的强引用；当GC来临时就会被回收。

内存泄漏

值（value）是强引用，不会自动回收

如果 key == null，说明 ThreadLocal 被回收了，但 value 还在，可能导致内存泄漏。

防范措施：

使用 ThreadLocal 后务必调用 remove()

ThreadLocalMap 实现中有一个重要的清理机制（expungeStaleEntry），用于清理键为 null（被 GC 回收）的stale entry，防止内存泄漏。它不是显示调用的，调用时机如下：

ThreadLocal.set()└─► ThreadLocalMap.set()└─► 若发现 key == null└─► expungeStaleEntry(...)ThreadLocal.get()└─► ThreadLocalMap.getEntry()└─► 若 entry.get() == null└─► expungeStaleEntry(...)ThreadLocal.remove()└─► ThreadLocalMap.remove()└─► expungeStaleEntry(...)

既然Value会导致内存泄漏，那为什么不把 value 也用弱引用包装？

因为 value 是由业务方控制生命周期的，不能随便被 GC 自动回收，否则会导致程序出错或行为异常

举例说明（假设value是弱引用）：

ThreadLocal<String> t = new ThreadLocal<>();
tl.set(new String("hello")); // new 的，没有其他强引用System.gc();
String s = t.get(); // 可能是 null，因为 hello 被 GC 掉了

t还没有使用，里面的值就已经被回收掉了，导致t.get()返回的是null

总结：ThreadLocalMap 只对 key 使用弱引用，是为了避免泄漏；value 保留强引用，是为了让程序数据可控，防止 GC 随意清除业务数据。

`ThreadLocal` 的 `set()` 、`get()` 、`remove()`是如何工作的？

都是先获取当前线程：Thread t = Thread.currentThread()

再获取当前线程的ThreadLocalMap：ThreadLocalMap map = getMap(t)

然后执行各自的逻辑

如何让子线程继承父线程的 ThreadLocal 变量？

想让子线程继承，可以用：InheritableThreadLocal,它是ThreadLocal 的子类

在Thread类中有inheritableThreadLocals属性

/** InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is* maintained by the InheritableThreadLocal class.*/
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

当创建子线程时，调用Thread 类的构造函数，在构造函数中，会检查当前线程（父线程）的 inheritableThreadLocals 变量：

if (parent.inheritableThreadLocals != null) {this.inheritableThreadLocals = ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
}

如果父线程有 inheritableThreadLocals，则调用 createInheritedMap() 复制一份给子线程。

关键注意事项

复制是浅拷贝（引用传递），如果值是可变对象（如 HashMap），父子线程可能修改同一对象。

线程池中的线程是复用的，子线程创建时只会复制一次父线程的变量。后续任务复用该线程时，不会重新复制。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
inheritableThreadLocal.set("任务1的值");
executor.submit(() -> System.out.println("任务1: " + inheritableThreadLocal.get())); // 输出 "任务1的值"inheritableThreadLocal.set("任务2的值");
executor.submit(() -> System.out.println("任务2: " + inheritableThreadLocal.get())); // 仍输出 "任务1的值"！