一、简介

在 Java web 项目中，想必很多的同学对ThreadLocal这个类并不陌生，它最常用的应用场景就是用来做对象的跨层传递，避免多次传递，打破层次之间的约束。

比如下面这个HttpServletRequest参数传递的简单例子！

public class RequestLocal {/*** 线程本地变量*/private static ThreadLocal<HttpServletRequest> local = new ThreadLocal<>();/*** 存储请求对象* @param request*/public static void set(HttpServletRequest request){local.set(request);}/*** 获取请求对象* @return*/public static HttpServletRequest get(){return local.get();}/*** 移除请求对象* @return*/public static void remove(){local.remove();}
}

public class MyServlet extends HttpServlet {@Overrideprotected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {// 存储请求对象变量RequestLocal.set(req);try {// 业务逻辑...} finally {// 请求完毕之后，移除请求对象变量RequestLocal.remove();}}
}

// 在需要的地方，通过 RequestLocal 类获取HttpServletRequest对象
HttpServletRequest request = RequestLocal.get();

看完以上示例，相信大家对ThreadLocal的使用已经有了大致的认识。

当然ThreadLocal的作用还不仅限如此，作为 Java 多线程模块的一部分，ThreadLocal也经常被一些面试官作为知识点用来提问，因此只有理解透彻了，回答才能更加游刃有余。

下面我们从ThreadLocal类的源码解析到使用方式做一次总结，如果有不正之处，请多多谅解，并欢迎批评指出。

二、源码剖析

ThreadLocal类，也经常被叫做线程本地变量，也有的叫做本地线程变量，意思其实差不多，通俗的解释：ThreadLocal作用是为变量在每个线程中创建一个副本，这样每个线程就可以访问自己内部的副本变量；同时，该变量对其他线程而言是封闭且隔离的。

字面的意思很容易理解，但是实际上ThreadLocal类的实现原理还有点复杂。

打开ThreadLocal类，它总共有 4 个public方法，内容如下！

方法	描述
public void set(T value)	设置当前线程变量
public T get()	获取当前线程变量
public void remove()	移除当前线程设置的变量
public static ThreadLocal withInitial(Supplier supplier)	自定义初始化当前线程的默认值

其中使用最多的就是set()、get()和remove()方法，至于withInitial()方法，一般在ThreadLocal对象初始化的时候，给定一个默认值，例如下面这个例子！

// 给所有线程初始化一个变量 1
private static ThreadLocal<Integer> localInt = ThreadLocal.withInitial(() -> 1);

下面我们重点来剖析以上三个方法的源码，最后总结如何正确的使用。

以下源码解析均基于jdk1.8。

2.1、set 方法

打开ThreadLocal类，set()方法的源码如下！

public void set(T value) {// 首先获取当前线程对象Thread t = Thread.currentThread();// 获取当前线程中的变量 ThreadLocal.ThreadLocalMapThreadLocalMap map = getMap(t);// 如果不为空，就设置值if (map != null)map.set(this, value);else// 如果为空，初始化一个ThreadLocalMap变量，其中key为当前的threadlocal变量createMap(t, value);
}

我们继续看看createMap()方法的源码，内容如下！

void createMap(Thread t, T firstValue) {// 初始化一个 ThreadLocalMap 对象，并赋予给 Thread 对象// 可以发现，其实 ThreadLocalMap 是 Thread 类的一个属性变量t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {// INITIAL_CAPACITY 变量的初始值为 16table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);size = 1;setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {/** The value associated with this ThreadLocal. */Object value;Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {super(k);value = v;}
}

从上面的源码上你会发现，通过ThreadLocal类设置的变量，最终保存在每个线程自己的ThreadLocal.ThreadLocalMap对象中，其中key是当前线程的ThreadLocal变量，value就是我们设置的变量。

基于这点，可以得出一个结论：每个线程设置的变量只有自己可见，其它线程无法访问，因为这个变量是线程自己独有的属性。

从上面的源码也可以看出，真正负责存储value变量的是Entry静态类，并且这个类继承了一个WeakReference类。稍有不同的是，Entry静态类中的key是一个弱引用类型对象，而value是一个强引用类型对象。这样设计的好处在于，弱引用的对象更容易被 GC 回收，当ThreadLocal对象不再被其他对象使用时，可以被垃圾回收器自动回收，避免可能的内存泄漏。关于这一点，我们在下文再详细的介绍。

最后我们再来看看map.set(this, value)这个方法的源码逻辑，内容如下！

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {Entry[] tab = table;int len = tab.length;// 根据hash和位运算，计算出数组中的存储位置int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);// 循环遍历检查计算出来的位置上是否被占用for (Entry e = tab[i];e != null;e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {// 进入循环体内，说明当前位置已经被占用了ThreadLocal<?> k = e.get();// 如果key相同，直接进行覆盖if (k == key) {e.value = value;return;}// 如果key为空，说明key被回收了，重新覆盖if (k == null) {replaceStaleEntry(key, value, i);return;}}// 当没有被占用，循环结束之后，取最后计算的空位，进行存储tab[i] = new Entry(key, value);int sz = ++size;if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)rehash();
}

private static int nextIndex(int i, int len) {// 下标依次自增return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

从上面的源码分析可以看出，ThreadLocalMap和HashMap，虽然都是键值对的方式存储数据，当在数组中存储数据的下表冲突时，存储数据的方式有很大的不同。jdk1.8种的HashMap采用的是链表法和红黑树来解决下表冲突，当

ThreadLocalMap采用的是开放寻址法来解决hash冲突，简单的说就是当hash出来的存储位置相同但key不一样时，会继续寻找下一个存储位置，直到找到空位来存储数据。

而jdk1.7中的HashMap采用的是链表法来解决hash冲突，当hash出来的存储位置相同但key不一样时，会将变量通过链表的方式挂在数组节点上。

为了实现更高的读写效率，jdk1.8中的HashMap就更为复杂了，当冲突的链表长度超过 8 时，链表会转变成红黑树，在此不做过多的讲解，有兴趣的同学可以翻看关于HashMap的源码分析文章。

一路分析下来，是不是感觉set()方法还是挺复杂的，总结下来set()大致的逻辑有以下几个步骤：

• 1.首先获取当前线程对象，检查当前线程中的ThreadLocalMap是否存在
• 2.如果不存在，就给线程创建一个ThreadLocal.ThreadLocalMap对象
• 3.如果存在，就设置值，存储过程中如果存在 hash 冲突时，采用开放寻址法，重新找一个空位进行存储

2.2、get 方法

了解完set()方法之后，get()方法就更容易了，get()方法的源码如下！

public T get() {// 获取当前线程对象Thread t = Thread.currentThread();// 从当前线程对象中获取 ThreadLocalMap 对象ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null) {// 如果有值，就返回ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")T result = (T)e.value;return result;}}// 如果没有值，重新初始化默认值return setInitialValue();
}

这里我们要重点看下map.getEntry(this)这个方法，源码如下！

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);Entry e = table[i];// 如果找到key，直接返回if (e != null && e.get() == key)return e;else// 如果找不到，就尝试清理，如果你总是访问存在的key，那么这个清理永远不会进来return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {Entry[] tab = table;int len = tab.length;while (e != null) {// e指的是entry ，也就是一个弱引用ThreadLocal<?> k = e.get();// 如果找到了，就返回if (k == key)return e;if (k == null)// 如果key为null，说明已经被回收了，同时将value设置为null，以便进行回收expungeStaleEntry(i);else// 如果key不是要找的那个，那说明有hash冲突，继续找下一个entryi = nextIndex(i, len);e = tab[i];}return null;
}

从上面的源码可以看出，get()方法逻辑，总共有以下几个步骤：

• 1.首先获取当前线程对象，从当前线程对象中获取 ThreadLocalMap 对象
• 2.然后判断ThreadLocalMap是否存在，如果存在，就尝试去获取最终的value
• 3.如果不存在，就重新初始化默认值，以便清理旧的value值

其中expungeStaleEntry()方法是真正用于清理value值的，setInitialValue()方法也具备清理旧的value变量作用。

从上面的代码可以看出，ThreadLocal为了清楚value变量，花了不少的心思，其实本质都是为了防止ThreadLocal出现可能的内存泄漏。

2.3、remove 方法

我们再来看看remove()方法，源码如下！

public void remove() {// 获取当前线程里面的 ThreadLocalMap 对象ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());if (m != null)// 如果不为空，就移除m.remove(this);
}

private void remove(ThreadLocal<?> key) {Entry[] tab = table;int len = tab.length;int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);// 循环遍历目标key，然后将key和value都设置为nullfor (Entry e = tab[i];e != null;e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {if (e.get() == key) {e.clear();// 清理value值expungeStaleEntry(i);return;}}
}

remove()方法逻辑比较简单，首先获取当前线程的ThreadLocalMap对象，然后循环遍历key，将目标key以及对应的value都设置为null。

从以上的源码剖析中，可以得出一个结论：不管是set()、get()还是remove()，其实都会主动清理无效的value数据，因此实际开发过程中，没有必要过于担心内存泄漏的问题。

三、为什么要用 WeakReference?

另外细心的同学可能会发现，ThreadLocal中真正负责存储key和value变量的是Entry静态类，并且它继承了一个WeakReference类。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {/** The value associated with this ThreadLocal. */Object value;Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {super(k);value = v;}
}

关于WeakReference类，我们在上文只是简单的说了一下，可能有的同学不太清楚，这个再次简要的介绍一下。

了解过WeakHashMap类的同学，可能对WeakReference有印象，它表示当前对象为弱引用类型。

在 Java 中，对象有四种引用类型，分别是：强引用、软引用、弱引用和虚引用，级别从高依次到低。

不同引用类型的对象，GC 回收的方式也不一样，对于强引用类型，不会被垃圾收集器回收，即使当内存不足时，另可抛异常也不会主动回收，防止程序出现异常，通常我们自定义的类，初始化的对象都是强引用类型；对于软引用类型的对象，当不存在外部强引用的时候，GC 会在内存不足的时候，进行回收；对于弱引用类型的对象，当不存在外部强引用的时候，GC 扫描到时会进行回收；对于虚引用，GC 会在任何时候都可能进行回收。

下面我们看一个简单的示例，更容易直观的了解它。

public static void main(String[] args) {Map weakHashMap = new WeakHashMap();//向weakHashMap中添加4个元素for (int i = 0; i < 3; i++) {weakHashMap.put("key-"+i, "value-"+ i);}//输出添加的元素System.out.println("数组长度："+weakHashMap.size() + "，输出结果：" + weakHashMap);//主动触发一次GCSystem.gc();//再输出添加的元素System.out.println("数组长度："+weakHashMap.size() + "，输出结果：" + weakHashMap);}

输出结果：

数组长度：3，输出结果：{key-2=value-2, key-1=value-1, key-0=value-0}
数组长度：3，输出结果：{}

以上存储的弱引用对象，与外部对象没有强关联，当主动调用 GC 回收器的时候，再次查询WeakHashMap里面的数据的时候，弱引用对象收回，所以内容为空。其中WeakHashMap类底层使用的数据存储对象，也是继承了WeakReference。

采用WeakReference这种弱引用的方式，当不存在外部强引用的时候，就会被垃圾收集器自动回收掉，减小内存空间压力。

需要注意的是，Entry静态类中仅仅只是key被设计成弱引用类型，value依然是强引用类型。

回归正题，为什么ThreadLocalMap类中的Entry静态类中的key需要被设计成弱引用类型？

我们先看一张Entry对象的依赖图！

如上图所示，Entry持有ThreadLocal对象的引用，如果没有设置引用类型，这个引用链就全是强引用，当线程没有结束时，它持有的强引用，包括递归下去的所有强引用都不会被垃圾回收器回收；只有当线程生命周期结束时，才会被回收。

哪怕显式的设置threadLocal = null，它也无法被垃圾收集器回收，因为Entry和key存在强关联！

如果Entry中的key设置成弱引用，当threadLocal = null时，key就可以被垃圾收集器回收，进一步减少内存使用空间。

但是也仅仅只是回收key，不能回收value，如果这个线程运行时间非常长，又没有调用set()、get()或者remove()方法，随着线程数的增多可能会有内存溢出的风险。

因此在实际的使用中，想要彻底回收value，使用完之后可以显式调用一下remove()方法。

四、应用介绍

通过以上的源码分析，相信大家对ThreadLocal类已经有了一些认识，它主要的作用是在线程内实现变量的传递，每个线程只能看到自己设定的变量。

我们可以看一个简单的示例！

public static void main(String[] args) {ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();threadLocal.set("main");for (int i = 0; i < 5; i++) {final int j = i;new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {// 设置变量threadLocal.set(String.valueOf(j));// 获取设置的变量System.out.println("thread name:" + Thread.currentThread().getName() + ", 内容：" + threadLocal.get());}}).start();}System.out.println("thread name:" + Thread.currentThread().getName() + ", 内容：" + threadLocal.get());
}

输出结果：

thread name:Thread-0, 内容：0
thread name:Thread-1, 内容：1
thread name:Thread-2, 内容：2
thread name:Thread-3, 内容：3
thread name:main, 内容：main
thread name:Thread-4, 内容：4

从运行结果上可以很清晰的看出，每个线程只能看到自己设置的变量，其它线程不可见。

ThreadLocal可以实现线程之间的数据隔离，在实际的业务开发中，使用非常广泛，例如文章开头介绍的HttpServletRequest参数的上下文传递。

五、小结

最后我们来总结一下，ThreadLocal类经常被叫做线程本地变量，它确保每个线程的ThreadLocal变量都是各自独立的，其它线程无法访问，实现线程之间数据隔离的效果。

ThreadLocal适合在一个线程的处理流程中实现参数上下文的传递，避免同一个参数在所有的方法中传递。

使用ThreadLocal时，如果当前线程中的变量已经使用完毕并且永久不在使用，推荐手动调用移除remove()方法，可以采用try ... finally结构，并在finally中清除变量，防止存在潜在的内存溢出风险。