ThreadLocal之20+连环问

1.是什么？（ThreadLocal）

ThreadLocal 是一个线程变量工具类，可以提供线程局部变量

• ThreadLocal可以为每个线程提供线程局部变量，变量对其他线程而言是隔离的。

• 为变量在每个线程中都创建了一个副本，每个线程可以访问自己内部的副本变量。

  ps : 可以通过重新 initValue()来自定义初始值

2.特性

ThreadLocal和Synchronized都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题，不同的点是

• Synchronized是通过线程等待，牺牲时间来解决访问冲突
• ThreadLocal是通过每个线程单独一份存储空间，牺牲空间来解决冲突，并且相比于Synchronized，ThreadLocal具有线程隔离的效果，只有在线程内才能获取到对应的值，线程外则不能访问到想要的值。

ThreadLocal是用冗余的方式换时间，而锁机制则是时间换空间。

3.应用场景（能干什么？）

• 线程间数据隔离，各线程的 ThreadLocal 互不影响
• 全链路追踪中的 traceId 或者流程引擎中上下文的传递一般采用 ThreadLocal
• Spring 事务管理器采用了 ThreadLocal
• Spring MVC 的 RequestContextHolder 的实现使用了 ThreadLocal
• 一些ORM框架的Session管理，web系统的会话管理。
• 使用到类似责任链模式，给每个方法增加一个context上下文参数非常麻烦，可以使用 ThreadLocal传递。

简单总结：
一个ThreadLocal只能保存一个变量的副本，如果需要多个，就得创建多个变量；我们确定使用完需要执行remove避免内存泄漏。

4.使用方式

• 可通过 ThreadLocal value = new ThreadLocal(); 来使用。
• 会自动在每一个线程上创建一个 T 的副本，副本之间彼此独立，互不影响，可以用 ThreadLocal 存储一些参数，以便在线程中多个方法中使用，用以代替方法传参的做法。

5.JDK 1.8 实现原理

• 每个线程对象 Thread 对象内部拥有一个 threadLocals 字段，这个属性会指向一个Thead对象中ThreadLocalMap；
• ThreadLocalMap 存储的是当前线程与其它 ThreadLocal关联的数据
• 线程访问某个ThreadLocal对象的get或set 方法的时候都会检测，在get方法获取的时候会判断当前线程的Map 是否有key , 为这个 ThreadLocal对象的Entry数据
  • 若没有 ThreadLocal的initialValue方法会创建一个Entry数据并放入到ThreadLocalMap中
• 每个线程中都有一个独立的ThreadLocalMap副本，它所存储的值，只能被当前线程读取和修改。
• ThreadLocalMap存储的键值对中的键是this对象指向的ThreadLocal对象，而值就是你所设置的对象了。

6.JDK 1.7 之前实现原理（简单介绍）

• 在ThreadLocal维护一个大Map,所有的线程变量都维护在一个Map里面。

7.JDK1.8版本相比之前的设计有什么优势？

• 线程多，若只维护一个大Map 数据过大不利于维护
• 新版本线程间数据隔离，每个线程有自己的ThreadLocalMap ,当线程被销毁的时候，就可以在下一次GC回收。
• ThreadLocalMap中 Entry对应的key是一个弱引用，如果ThreadLocal对象被回收的话，线程还未结束，ThreadLocalMap还未被回收，（ps：弱引用不参与root 算法）

8.为什么ThreadLocal选择自定义一个Map没使用HashMap

• ThreadLocalMap的 key是特定类型就是 ThreadLocal对象
• key 是弱引用，HashMap key 是强引用， 弱引用不影响对象被回收。

9.ThreadLocalMap 初始化长度

16

10.大小为什么必须是2的次方数？

• 与HashMap一样为了方便Hash寻址
• 因为2的次方数-1之后转换为二进制一定是 1111结尾的二进制数。
• 若数值与这种二进制数进行 按位 与运算得到的一定是 >=0 且 <= 这个二进制数值的 。比使用取模算法 ，效率高很多

11.扩容的阈值是多少

• Entry 数组长度的 三分之二
• 比如：初始化是16 ，阈值则是 10

12.达到扩容阈值后一定会扩容吗？

不会

• 会先清理过期数据（cleanSomeSlots方法）将key为null的数据移出掉。
• 若移除后当前map实际容量大小仍然阈值的 >= 75% 则扩容
  • 源码技术公式 size >= threshold - threshold / 4 例如 当前大小 >= 10-10/4

13.扩容过程

• 首先会创建一个新的数组，长度是当前散列表数组的2倍
• 遍历老的数组，将其中的数据重新安装Hash算法放入新的数组
• 更新ThreadLocalMap对象的散列表引用指向新的数组
• 扩容完成之后，重新计算一下，下次触发扩容的阈值（新数组大小的 2/3 ）

14.ThreadLocalMap的get方法逻辑

• 首先Get方法传进来的是ThreadLocal对象，
• 根据ThreadLocal的hash值与运算当前数组长度-1，得到下标位置index
• 若当前位置数据不为空并且key与当前查询的key相同的话返回。
• 若不是则表示遇到过Hash冲突。
  • ThreadLocaMap 内部没有链表结构，若Hash冲突，是线性的存到后面某个位置。
  • 所以get操作的时候，若第一次没有命中，需要后续查询，直到查到数据或者返回null

15. get第一次没有get到向后查询时遇到过期数据怎么处理

• 触发一次“探测式”过期数据回收逻辑
• 从当前桶位节点，向后迭代，将碰到key==null 会把 Entry值置位null

16. get 方法 “探测式”清理过期数据如果碰到正常数据怎么办？

• 若碰到正常数据会根据key重新计算出来一个index ,看计算出来的index是否等于当前位置，
• 若相等，则啥也不做
• 若不相等，说明存数据发生过Hash冲突 。位置被占用了
  • 会继续向计算出来的下标后查找一个不为null的位置存。

17.什么是过期数据

• ThreadLocalMap内存储的是Entry， Entry有key 和value, key 是弱引用。
• key 限定是ThreadLocal对象，value是具体的关联数据。
• 当 key对应的ThreadLocal被回收后，key 是弱引用，key.get()==null 就代表是过期数据

18.ThreadLocalMap的set方法逻辑

• 从当前线程对象中取TheadLocalMap。
  • 若取不到-则创建ThreadLocalMap并存储初始化值。
• 首先根据key, hashCode 找到对应的位置。
• 若当前值为 null，则表示是新添加数据，只需要添加到这个节点。
• 若不为 null
  • 说明发生hash冲突,线性向数组后。查找到一个目前没有占有的位置插入。
  • 判断当前Key是否与set的 key一致，是则更新
  • 若遇到 key 为空的记录 -执行清理过程，过期数据就替换

19.ThreadLocalMap的remove方法逻辑

• 从当前线程对象中取TheadLocalMap。
• 若不为空 则移出以当前 ThreadLocal对象为key的数据
• 若为空，则什么也不做

20.为什么ThreadLocalMap的Enrty是弱引用？

• 将Entry的Key设置成弱引用，因为在配合线程池使用的情况下可能会有内存泄露的风险。
• 设计成弱引用的目的是为了更好地对ThreadLocal进行回收，
• 将ThreadLocal的强引用置为null后，这时候Entry中的ThreadLocal理应被回收了，
• 如果Entry的key被设置成强引用则该ThreadLocal就不能被回收，这就是将其设置成弱引用的目的。

那为什么ThreadLocalMap的key要设计成弱引用？
key不设置成弱引用的话就会造成和entry中value一样内存泄漏的场景。

21.内存泄露问题

• ThreadLocal 在没有外部强引用时， GC 时会被回收。
• 其实同一个线程也创建了多个ThreadLocal ，共享一个 ThreadLocalMap，ThreadLocal使用完被回收。
• ThreadLocalMap 中保存的 key 值就变成了 null，而 Entry值 又被 threadLocalMap 对象引用
• 若线程未执行完ThreadLocalMap 还会存在
• 若线程Thread 一直不终结的话，value 对象就会一直存在于内存中，也就导致了内存泄漏，直至 Thread 被销毁后，才会被回收

22.如何避免内存泄漏呢？

在使用完 ThreadLocal 变量后，尽量手动 remove 掉，防止 ThreadLocalMap 中 Entry 一直保持对 value 的强引用，导致 value 不能被回收

23.ThreadLocalMap如何解决哈希冲突

• 如果使用HashCode来计算Hash值是不均匀的，
• ThreadLocalMap是使用了一种黄金分隔数的方式，来分配Hash,映射到散列表内很均匀。
  • 比如数组长度是16，连续分隔可能是 table[0] table[4] table[8] 这样类似比较均匀。

ThreadLocal中的hash 计算底层

• AtomicInteger 的 getAndAdd方法，参数是个固定值 0x61c88647。结构非常只用一个数组存储，并没有链表结构，
• 当出现Hash冲突时采用线性查找的方式，线性查找就是根据初始key的hashcode值确定元素在table数组中的位置，如果发现这个位置上已经有其他key值的元素被占用，则利用固定的算法寻找一定步长的下个位置，依次判断，直至找到能够存放的位置。如果产生多次hash冲突，处理起来就没有HashMap的效率高，为了避免哈希冲突，使用尽量少的threadlocal变量

如果我想共享线程的ThreadLocal数据怎么办？
使用InheritableThreadLocal可以实现多个线程访问ThreadLocal的值，我们在主线程中创建一个InheritableThreadLocal的实例，然后在子线程中得到这个InheritableThreadLocal实例设置的值。

如何实现的呢？
Thread源码中，初始化Thread.init方法，将父级的值做了传递。

24.使用注意事项

10.1注意空指针 （若还未set就 get 默认返回null ,可通过重写 initialValue 自定义默认初始化值）
示例：

public static ThreadLocal myThreadLocal = new ThreadLocal() {
   @Override
   protected String initialValue() {
      return "This is the initial value";
   }
};