ThreadLocalMap的底层原理：哈希冲突与ThreadLocalEntry的弱引用设计

ThreadLocalMap的底层原理：哈希冲突与ThreadLocalEntry的弱引用设计

大家好，今天我们来深入探讨一下ThreadLocalMap的底层原理，重点关注哈希冲突的解决以及ThreadLocalEntry的弱引用设计。ThreadLocalMap是ThreadLocal类内部使用的数据结构，用于存储线程的局部变量。理解它的工作机制对于编写高效且避免内存泄漏的多线程程序至关重要。

1. ThreadLocal与ThreadLocalMap的关系

首先，我们需要明确ThreadLocal和ThreadLocalMap之间的关系。ThreadLocal类本身并不存储任何数据，它更像是一个工具，提供了一种机制，使得每个线程可以拥有自己独立的变量副本。真正的存储是由ThreadLocalMap完成的。

每个线程都有一个Thread对象。Thread对象持有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量 threadLocals。当我们调用ThreadLocal的set()或get()方法时，实际上是在操作当前线程的threadLocals这个ThreadLocalMap实例。

简而言之：

• ThreadLocal 提供API。
• Thread 持有 ThreadLocalMap。
• ThreadLocalMap 负责存储数据。

2. ThreadLocalMap的数据结构

ThreadLocalMap并非是一个标准的HashMap。它有自己独特的内部结构，主要基于数组实现，并且使用开放寻址法解决哈希冲突。

static class ThreadLocalMap {

    /**
     * The table, resized as necessary.
     * table.length MUST always be a power of two.
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * The number of entries in the table.
     */
    private int size = 0;

    /**
     * The next size value at which to resize.
     */
    private int threshold; // Default to 0

    // ... (其他代码)
}

从上面的代码片段可以看出：

• table: ThreadLocalMap的核心，是一个Entry类型的数组，用于存储键值对。Entry稍后会详细介绍。
• size: 当前ThreadLocalMap中存储的Entry数量。
• threshold: 扩容阈值，当size达到threshold时，ThreadLocalMap会进行扩容。

2.1 Entry的定义

Entry是ThreadLocalMap的内部类，用于存储键值对。关键之处在于，Entry的键是ThreadLocal对象的弱引用。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

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

• key: ThreadLocal<?> k，存储ThreadLocal对象的弱引用。
• value: Object value，存储与ThreadLocal关联的值。

弱引用的特性是，如果一个对象只被弱引用引用，那么在下一次垃圾回收时，该对象就会被回收。这在ThreadLocalMap中用于防止内存泄漏。

3. 哈希冲突的解决：开放寻址法

ThreadLocalMap使用开放寻址法来解决哈希冲突。当多个ThreadLocal对象映射到数组的同一个索引位置时，它会尝试寻找下一个可用的空闲位置。 具体来说，它使用线性探测法。

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

    // We don't use a hash map, but use a linear
    // probe sequence.  Open addressing.
    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();
}

set()方法的关键点：

1. 计算索引: int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); key.threadLocalHashCode 是 ThreadLocal 对象初始化时分配的一个唯一hash值。通过位运算 & (len-1) 将hash值映射到数组的索引范围内。 len是数组的长度，始终是2的幂。
2. 线性探测: for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) 如果tab[i] 已经被占用，则使用 nextIndex(i, len) 方法计算下一个索引位置，继续查找，直到找到空闲位置或者找到相同的ThreadLocal对象。

3. nextIndex(i, len):

   private static int nextIndex(int i, int len) {
       return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
   }

   这是一个简单的循环递增函数，当索引到达数组末尾时，会回到数组的起始位置，实现循环查找。

4. 处理过期条目: if (k == null) 如果找到的Entry的键（ThreadLocal对象）已经被垃圾回收，则调用replaceStaleEntry()方法来替换这个过期的条目。这是弱引用设计的重要体现，用于清理不再使用的ThreadLocal对象。
5. 创建新的Entry: tab[i] = new Entry(key, value); 如果在查找过程中没有找到相同的ThreadLocal对象，也没有找到过期的条目，则在找到的空闲位置创建一个新的Entry。
6. 清理和扩容: if (! cleanSomeSlots(i, sz) && sz > threshold) rehash(); 在插入新条目后，会尝试清理一些过期的条目，如果清理效果不佳，并且当前大小超过了阈值，则进行扩容。

3.1 为什么使用开放寻址法而不是链地址法？

ThreadLocalMap选择开放寻址法，而不是像HashMap那样使用链地址法，主要是出于以下几个考虑：

• 简单性: 开放寻址法的实现相对简单，不需要额外的链表节点对象。
• 局部性: 开放寻址法将所有数据存储在连续的内存空间中，有助于提高缓存命中率，从而提升性能。
• 减少对象创建: 链地址法需要为每个哈希桶创建一个链表节点，这会增加对象创建的开销。在线程频繁使用ThreadLocal的场景下，对象创建的开销会变得显著。
• ThreadLocal的特殊性: ThreadLocal的使用场景通常是在线程内部，变量的数量相对较少。开放寻址法在负载因子不高的情况下，性能表现良好。

虽然开放寻址法在哈希冲突严重时性能会下降，但在ThreadLocalMap的实际应用场景中，这种情况并不常见。

4. 弱引用与内存泄漏

ThreadLocalEntry使用弱引用来持有ThreadLocal对象，这是防止内存泄漏的关键。让我们详细分析一下。

4.1 内存泄漏场景

考虑以下情况：

1. 我们创建了一个ThreadLocal对象，并将其与一个值关联，存储在线程的ThreadLocalMap中。
2. 如果此时没有其他强引用指向这个ThreadLocal对象，那么在下一次垃圾回收时，由于ThreadLocalEntry中的key是对ThreadLocal对象的弱引用，ThreadLocal对象会被回收。
3. 但是，ThreadLocalMap中的Entry对象仍然存在，它持有着对值的强引用。这意味着，即使ThreadLocal对象已经被回收，其对应的值仍然无法被垃圾回收，从而导致内存泄漏。

4.2 弱引用的作用

弱引用的作用在于，它允许ThreadLocal对象在没有其他强引用时被垃圾回收。这使得ThreadLocalMap有机会在垃圾回收发生后，清理掉过期的Entry，从而避免内存泄漏。

4.3 如何清理过期条目

ThreadLocalMap提供了一些机制来清理过期的Entry：

• set()方法: 在set()方法中，当发现Entry的键为null（表示ThreadLocal对象已经被回收）时，会调用replaceStaleEntry()方法来替换这个过期的条目。
• get()方法: 在get()方法中，也会检查Entry的键是否为null，如果为null，则会调用expungeStaleEntry()方法来清理这个过期的条目。
• remove()方法: remove()方法用于显式地移除ThreadLocal对象与其值的关联。
• cleanSomeSlots()方法: 这是一个启发式的方法，用于清理一些过期的条目。它会在set()和rehash()方法中被调用。
• rehash()方法: 当ThreadLocalMap的大小超过阈值时，会进行扩容，并在扩容过程中清理过期的条目。

这些方法共同协作，尽可能地清理过期的Entry，从而减少内存泄漏的风险。

4.4 仍然可能存在的内存泄漏

即使ThreadLocalMap使用了弱引用和各种清理机制，仍然存在内存泄漏的风险。如果线程一直存活，但不再使用某个ThreadLocal变量，那么ThreadLocalMap中的Entry对象将一直存在，直到线程结束。 除非显式地调用 remove()方法。

因此，最佳实践是在不再需要使用ThreadLocal变量时，显式地调用remove()方法来移除它。特别是在使用线程池的场景下，线程可能会被重复使用，更容易出现内存泄漏。

5. 扩容机制

当ThreadLocalMap中的元素数量超过阈值时，会进行扩容。扩容的目的是为了减少哈希冲突，提高性能。

private void rehash() {
    expungeStaleEntries();

    // Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
    if (size >= threshold - threshold / 4)
        resize();
}

rehash()方法首先会调用expungeStaleEntries()方法来清理所有过期的条目。然后，如果当前大小仍然超过阈值的3/4，则会调用resize()方法进行扩容。

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;
}

resize()方法的关键步骤：

1. 创建新数组: 创建一个新的Entry数组，其长度是旧数组的两倍。
2. 重新哈希: 遍历旧数组中的所有Entry，重新计算它们在新数组中的位置。
3. 处理过期条目: 在重新哈希的过程中，会检查Entry的键是否为null，如果为null，则会将值设置为null，以便垃圾回收。
4. 更新阈值: 更新扩容阈值为新数组长度的2/3。
5. 更新table: 将table指向新的数组。

6. 关键代码片段演示

为了更好地理解ThreadLocalMap的工作原理，我们来看一些关键代码片段的演示。

6.1 set()操作

ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
threadLocal.set("Hello World");

这段代码实际上会执行以下操作：

1. 获取当前线程的Thread对象。
2. 获取Thread对象的threadLocals成员变量，即ThreadLocalMap实例。如果threadLocals为null，则会创建一个新的ThreadLocalMap实例。
3. 调用ThreadLocalMap的set()方法，将threadLocal对象和值"Hello World"存储到ThreadLocalMap中。

6.2 get()操作

String value = threadLocal.get();
System.out.println(value); // 输出: Hello World

这段代码实际上会执行以下操作：

1. 获取当前线程的Thread对象。
2. 获取Thread对象的threadLocals成员变量，即ThreadLocalMap实例。
3. 如果threadLocals为null，则返回null。
4. 调用ThreadLocalMap的getEntry()方法，根据threadLocal对象查找对应的Entry。
5. 如果找到Entry，则返回其值。如果未找到Entry，则返回null。

6.3 remove()操作

threadLocal.remove();

这段代码实际上会执行以下操作：

1. 获取当前线程的Thread对象。
2. 获取Thread对象的threadLocals成员变量，即ThreadLocalMap实例。
3. 如果threadLocals为null，则直接返回。
4. 调用ThreadLocalMap的remove()方法，根据threadLocal对象移除对应的Entry。

7. ThreadLocal的Hash值计算

每个ThreadLocal实例在创建时都会被分配一个唯一的hash值，用于在ThreadLocalMap中定位存储位置。这个hash值不是通过hashCode()方法计算的，而是通过一个原子变量递增生成。

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger(0);

private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

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

• threadLocalHashCode: 每个ThreadLocal实例的hash值。
• nextHashCode: 一个原子变量，用于生成新的hash值。
• HASH_INCREMENT: 一个魔数，用于使生成的hash值更均匀地分布。这个值是黄金分割率乘以 2^32 的结果。

这种方式保证了每个ThreadLocal对象都有一个唯一的哈希值，并且这些哈希值在一定程度上是分散的，有助于减少哈希冲突。

8. 理解设计的精妙之处

ThreadLocalMap的设计充分考虑了性能和内存管理，它利用了以下关键技术：

• 数组存储: 使用数组作为底层数据结构，提供快速的访问速度。
• 开放寻址法: 使用开放寻址法解决哈希冲突，避免了链表节点的创建开销。
• 弱引用: 使用弱引用持有ThreadLocal对象，防止内存泄漏。
• 清理机制: 提供多种清理机制，尽可能地清理过期的条目。

9. 使用建议和注意事项

• 及时remove(): 在不再需要使用ThreadLocal变量时，务必调用remove()方法，避免内存泄漏。
• 避免过度使用: ThreadLocal虽然方便，但过度使用会增加代码的复杂性和维护成本。
• 理解线程池的影响: 在使用线程池时，要特别注意ThreadLocal的内存泄漏问题。

10. 代码示例

以下是一个简单的ThreadLocal使用示例，演示了如何设置、获取和移除ThreadLocal变量：

public class ThreadLocalExample {

    private static final ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set("Thread 1: Hello");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + threadLocal.get());
            threadLocal.remove();
        }, "Thread-1");

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set("Thread 2: World");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + threadLocal.get());
            threadLocal.remove();
        }, "Thread-2");

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + threadLocal.get()); // 输出 null，因为主线程没有设置值
    }
}

运行结果:

Thread-1: Thread 1: Hello
Thread-2: Thread 2: World
main: null

11. 不同JDK版本ThreadLocal实现的区别

虽然ThreadLocal的核心思想在不同JDK版本中保持一致，但具体的实现细节可能会有所差异，尤其是在性能优化和内存管理方面。以下是一些可能存在的差异：

• 哈希算法： 不同版本可能采用不同的哈希算法来计算ThreadLocal的哈希值，以提高哈希值的分布均匀性，减少哈希冲突。
• 扩容策略： 扩容的触发条件和扩容的大小可能有所不同，以适应不同的应用场景。
• 清理过期条目的策略： 清理过期条目的时机和方法可能有所调整，以更有效地回收内存。
• 内部数据结构： 虽然都使用数组作为底层数据结构，但具体的数组实现方式可能有所差异。例如，某些版本可能使用更高级的数组技术来提高性能。

要了解特定JDK版本的ThreadLocal实现细节，最好的方法是查阅该版本的源代码。

线程特有变量，内存管理要小心

ThreadLocalMap通过数组、开放寻址法、弱引用和多种清理机制，实现了一个高效且节省内存的线程局部变量存储方案。 深入理解ThreadLocalMap的底层原理，可以帮助我们更好地使用ThreadLocal，避免内存泄漏，并编写出更健壮的多线程程序。