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知识点 12：并发编程 —— ThreadLocal 线程本地变量

1. 是什么？它解决了什么问题？

ThreadLocal 是 Java 提供的一个非常独特的解决线程安全问题的工具，它提供了一种全新的思路：不共享，即安全。

它的核心思想是：为每一个使用该变量的线程都提供一个独立的、私有的变量副本。每个线程都只能读写自己的副本，而不能访问其他线程的副本。这样，每个线程操作的都是自己的“私有”变量，自然就不存在线程安全问题。

ThreadLocal 解决了什么问题？

它提供了一种“以空间换时间”的方式来保证线程安全，避免了传统锁机制（如 synchronized）带来的性能开销和复杂性。在以下场景中非常有用：

1. 管理线程不安全的工具类实例：例如 SimpleDateFormat 或 Random 等不是线程安全的类。通过 ThreadLocal，每个线程可以持有自己的实例，避免了频繁创建对象或对共享实例加锁。
2. 传递上下文信息：在复杂的业务调用链中，用来传递贯穿整个请求的上下文信息，例如用户身份信息、事务 ID、数据库连接等。这样就避免了将这些信息作为方法参数层层传递，使代码更简洁、可读性更高。
3. 避免共享资源的竞争：当多个线程需要访问同一个资源，但又不希望它们相互影响时，ThreadLocal 可以为每个线程提供独立的资源副本。

生活比喻：ThreadLocal 就像是去银行办理业务时，银行发给你的专属储物柜的钥匙。

• ThreadLocal 变量：就是那个储物柜本身。它对所有来银行的人（线程）都是可见的。
• set(value)：你（当前线程）用你的钥匙，把你自己的私人物品（比如 User 对象）存入你的专属储物柜里。
• get()：你随时可以用你的钥匙，从你的储物柜里取出你自己的物品。你无法打开别人的储物柜，别人也无法打开你的。
• 线程销毁：当你离开银行（线程销毁）时，你的储物柜和里面的东西理论上就应该被清理掉。

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2. 实现原理是怎样的？

很多人误以为 ThreadLocal 内部有一个 Map<Thread, Object> 来存储每个线程的值。但实际上，它的设计更巧妙。

核心思想：每个 Thread 对象内部都维护着一个 ThreadLocalMap 类型的成员变量，这个 Map 才是真正存储线程本地数据的地方。

• Thread 与 ThreadLocalMap：
  • 每个线程 Thread 内部都有一个成员变量，名为 threadLocals，它的类型是 ThreadLocal.ThreadLocalMap。这个 ThreadLocalMap 是懒加载的，只在线程第一次使用 ThreadLocal 时创建。
• ThreadLocalMap 的结构：
  • 这是一个 ThreadLocal 的内部静态类，类似于一个简化的 HashMap，它内部维护着一个 Entry[] 数组。
  • 每个 Entry 对象都继承自 WeakReference<ThreadLocal<?>>。这意味着 Entry 的 Key 是 ThreadLocal 对象本身，并且是一个弱引用。
  • Entry 的 Value 才是我们想要存储的线程本地变量值，并且是一个强引用。

set(value) 和 get() 的核心流程：

1. set(value) 流程：

   1. 获取当前线程 Thread.currentThread()。
   2. 从当前线程对象中，获取它的成员变量 threadLocals (即 ThreadLocalMap)。
   3. 如果这个 map 不存在，就为当前线程创建一个新的 ThreadLocalMap。
   4. 将当前的 ThreadLocal 对象作为 Key（被 WeakReference 包装），要存的 value 作为 Value，存入这个 ThreadLocalMap 中。

2. get() 流程：

   1. 获取当前线程。
   2. 获取该线程的 threadLocals map。
   3. 如果 map 存在，就以当前的 ThreadLocal 对象为 Key，从 map 中取出对应的 Value 并返回。
   4. 如果 map 或对应的 Entry 不存在，则会进行初始化并返回 null（或者 initialValue() 方法的返回值）。

总结：数据是存储在线程自己内部的 ThreadLocalMap 里的，而不是 ThreadLocal 对象里。ThreadLocal 对象本身仅仅是一个“索引”或者“钥匙”，用于从当前线程的 ThreadLocalMap 中找到并操作对应的线程本地值。

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3. 内存泄漏问题及如何避免

这是 ThreadLocal 最重要的考点，也是使用时最容易出错的地方。

问题根源：ThreadLocalMap 中的 Key 是弱引用，而 Value 是强引用。

• 弱引用的 Key ( ThreadLocal 对象 )：当外部（例如业务代码）不再有任何强引用指向一个 ThreadLocal 对象时，这个 ThreadLocal 对象就会在下次垃圾回收时被回收。此时，ThreadLocalMap 中对应的 Entry 的 Key 就会变成 null。
• 强引用的 Value：然而，这个 Key 为 null 的 Entry 中存储的 Value（即我们存入的数据），仍然是一个强引用，它不会被自动回收。

内存泄漏的发生：
如果线程是一个长生命周期的线程（例如线程池中的线程），它会一直存在，那么它的 ThreadLocalMap 也会一直存在。此时，即使 ThreadLocal 对象被回收，但 Key 变为 null 的 Entry 中的 Value 却无法被回收，导致这部分内存一直被占用，从而引发内存泄漏。

ThreadLocalMap 内部的补偿清理机制

ThreadLocalMap的设计者预见了 Key 被回收后 Value 无法被访问的问题，并内置了一些补偿性的清理机制。

• 清理时机：当调用ThreadLocal的get(), set(), remove()方法时，ThreadLocalMap会顺便检查并清理那些key已经为null的“脏”Entry。
• 工作方式：
  1. 在get()或set()操作过程中，当遍历Entry数组时，如果发现某个Entry的key为null，它会触发一次启发式清理（expungeStaleEntry），清除这个Entry及其附近的其他“脏”Entry。
  2. remove()方法在移除当前ThreadLocal对应的Entry后，也会触发一次清理。

结论：ThreadLocalMap确实有被动的、补偿性的清理机制。但是，我们绝对不能依赖它来避免内存泄露，因为这些清理操作的触发时机是不确定的。如果一个“脏”Entry一直不被get, set等操作触及，它就可能永远得不到清理。

如何避免内存泄漏？

为了彻底避免内存泄漏，最佳实践是：在每次使用完 ThreadLocal 后，务必在 finally 块中调用 threadLocal.remove() 方法。

• remove() 方法的作用：它会从当前线程的 ThreadLocalMap 中移除对应的 Entry（包括 Key 和 Value）。这样，Key 为 null 的 Entry 及其对应的 Value 都会被清除，从而允许垃圾收集器正常回收这部分内存。
• 最佳实践场景：特别是在线程池环境中，ThreadLocal 的 remove() 操作是强制性的，必须在任务结束时清理。
• Spring 框架的处理：在 Spring Framework 中，对于请求范围（request scope）或会话范围（session scope）的 Bean，以及事务管理等场景，Spring 内部会妥善处理 ThreadLocal 的 remove() 操作（通常在请求结束或事务提交/回滚时），因此开发者通常无需手动干预。但在自定义的非 Spring 管理的线程或 ThreadLocal 使用中，手动 remove() 是强制性的。

// 示例：如何正确使用 ThreadLocal 并避免内存泄漏
ThreadLocal<String> userThreadLocal = new ThreadLocal<>();
try {userThreadLocal.set("some_user_context");// ... 执行业务逻辑 ...
} finally {// 务必在 finally 块中调用 remove()，确保在任何情况下都能清理userThreadLocal.remove();
}

内存泄露的危害场景分析

1. 危害小的场景：

   • 线程生命周期短：当一个线程执行完任务就销毁时，它所持有的ThreadLocalMap也会随之被销毁。即使在运行期间产生了“脏”Entry，随着线程的死亡，整个ThreadLocalMap（包括里面的强引用value）都会被垃圾回收。
   • 例子：为每个任务创建一个新线程，执行完就结束，这种情况下即使忘记remove()，影响也有限。

2. 危害大的场景：

   • 线程池（Thread Pool）：这是ThreadLocal内存泄露最典型、最危险的场景！
   • 原因：线程池中的线程是被复用的，它们的生命周期非常长，几乎和应用程序一样长。当一个任务结束时，处理该任务的线程并不会销毁，而是被归还给线程池，等待下一个任务。
   • 后果：如果在任务代码中使用了ThreadLocal但忘记remove()，那么这个ThreadLocal的value就会一直被这个存活的、被复用的线程所持有，永远无法被回收。随着越来越多的任务被这个线程执行，ThreadLocalMap中积累的“脏”Entry会越来越多，最终导致OOM（内存溢出）。

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4. 核心代码示例：数据库连接管理

ThreadLocal 的一个经典应用场景，就是在同一个线程的多次数据库操作中，共享同一个 Connection 对象，避免频繁创建和关闭连接。

package com.study.concurrency;import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;class ConnectionManager {// 1. 创建一个 ThreadLocal 对象来存储 Connectionprivate static final ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<>();public static Connection getConnection() {// 2. 先从当前线程的 ThreadLocal 中获取连接Connection conn = connectionHolder.get();try {// 如果没有连接，或者连接已关闭if (conn == null || (conn.isClosed() && conn != null)) { // 增加 conn != null 避免 NPE// 3. 创建一个新的连接// 注意：这里只是示例，实际生产环境应使用连接池conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/test", "user", "password");// 4. 将新连接存入当前线程的 ThreadLocalconnectionHolder.set(conn);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 创建了一个新的数据库连接。");}} catch (SQLException e) {e.printStackTrace();}return conn;}public static void closeConnection() {Connection conn = connectionHolder.get();try {if (conn != null && !conn.isClosed()) {conn.close();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 关闭了数据库连接。");}} catch (SQLException e) {e.printStackTrace();} finally {// 5. 务必调用 remove()，防止内存泄漏connectionHolder.remove();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 清理了 ThreadLocal。");}}
}public class ThreadLocalDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Runnable task = () -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 开始执行任务。");// 在同一个线程中，第一次获取连接会创建新的Connection conn1 = ConnectionManager.getConnection();// 第二次获取，会直接复用第一次的连接Connection conn2 = ConnectionManager.getConnection();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": conn1 和 conn2 是同一个对象吗？ " + (conn1 == conn2));// 模拟业务操作try {Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}// 线程结束前，关闭连接并清理 ThreadLocalConnectionManager.closeConnection();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 任务执行结束。");};// 两个线程会各自创建和使用自己的连接，互不干扰Thread t1 = new Thread(task, "线程A");Thread t2 = new Thread(task, "线程B");