介绍
什么是ThreadLocal？
ThreadLocal叫做线程变量，用于在多线程环境下创建线程本地变量。
通俗的讲，ThreadLocal可以让你在同一个线程中创建一个变量，并且这个变量对于该线程是唯一的，其他线程无法访问到这个变量。
这种方式能够有效地避免多线程之间的变量冲突问题，使得线程本地变量的访问变得更加安全和高效。
例如，在一个线程池中，每个线程需要维护自己的状态，这时就可以使用ThreadLocal来创建线程本地变量来存储状态信息。
ThreadLocal 的作用是什么？
在多线程编程中，由于不同线程之间共享内存，如果多个线程访问同一个变量，就会发生竞争条件，可能会导致数据不一致或者死锁等问题。使用ThreadLocal可以解决这个问题，因为它可以为每个线程创建一个独立的变量副本，每个线程都可以访问自己的变量副本，而不会影响其他线程的变量。这种方式可以有效地避免多线程之间的变量冲突问题，提高了程序的可靠性和性能。ThreadLocal常用于实现线程安全的单例模式，以及在多线程环境下对共享数据的缓存。
如何使用ThreadLocal
如何创建一个ThreadLocal实例
直接上代码:
public class ThreadLocalDemo {
private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
System.out.println("thread1 before set: " + threadLocal.get());
threadLocal.set("AAAAA");
System.out.println("thread1 after set: " + threadLocal.get());
threadLocal.remove();
System.out.println("thread1 after remove: " + threadLocal.get());
}).start();
new Thread(() -> {
System.out.println("thread1 before set: " + threadLocal.get());
threadLocal.set("BBBBB");
System.out.println("thread2 after set: " + threadLocal.get());
threadLocal.remove();
System.out.println("thread2 after remove: " + threadLocal.get());
}).start();
System.out.println("main thread before set: " + threadLocal.get());
threadLocal.set("Main");
System.out.println("main after set: " + threadLocal.get());
threadLocal.remove();
System.out.println("main after remove: " + threadLocal.get());
}
}
程序输出:
thread1 before set: null
main thread before set: null
main after set: Main
thread1 before set: null
thread1 after set: AAAAA
thread1 after remove: null
thread2 after set: BBBBB
thread2 after remove: null
main after remove: null
创建ThreadLocal实例的方式非常简单，只需要使用Java中的ThreadLocal类的构造函数即可。
上面的代码创建了一个ThreadLocal实例，该实例可以存储String类型的值。在使用ThreadLocal之前，需要先调用它的set()方法来初始化一个线程本地变量, 否则get()方法得到的值就是null。
从代码中可以看到, 我们在main方法中分别创建了2个线程, 三个线程分表获取了自己线程存放的变量，他们之间变量的获取并不会错乱。
如果在当前线程中尚未设置该值或者已经调用remove()方法删除值，则返回null。
需要注意的是，每个ThreadLocal对象只能存储一个值，如果需要存储多个值，则需要创建多个ThreadLocal对象。
ThreadLocal和Synchronized都是Java中用于处理多线程并发访问的工具，但它们的作用和实现方式有很大的区别。
作用不同：ThreadLocal主要是用来创建线程本地变量，解决多线程并发访问时的变量冲突问题；而Synchronized则是一种同步机制，用于保护共享资源，防止多线程之间的竞争条件。
实现方式不同：ThreadLocal通过为每个线程创建独立的变量副本，使得每个线程之间互不干扰，从而解决多线程访问共享变量时的线程安全问题。而Synchronized则是通过互斥访问来实现同步的，即多个线程同时只能有一个线程访问共享资源。
应用场景不同：ThreadLocal适用于需要在多个线程中使用独立的变量的场景，如线程池中的线程状态管理，以及Web应用中的Session管理等；而Synchronized则适用于需要保护共享资源的场景，如多个线程同时访问同一个数据结构，或者需要保证某个方法在同一时刻只能被一个线程访问等。
性能影响不同：ThreadLocal相对于Synchronized来说性能更好，因为它只涉及到线程本地变量的访问和赋值操作，不需要进行锁竞争和上下文切换等操作。而Synchronized则需要进行锁竞争和上下文切换等操作，会对性能产生一定的影响。
ThreadLocal的优点：
- 线程安全：每个线程都拥有自己的变量副本，不会受到其他线程的影响，可以避免线程安全问题。
- 性能高：ThreadLocal使用了空间换时间的方式，每个线程都有自己的变量副本，不需要进行加锁和解锁操作，因此性能更高。
- 代码简洁：使用ThreadLocal可以避免复杂的同步控制逻辑。
加锁的优点：
- 保证数据一致性：通过加锁可以保证共享资源在多线程环境下的正确性，避免出现数据不一致的情况。
- 线程同步：在加锁过程中，线程会被阻塞，等待锁的释放，保证了线程同步。
ThreadLocal的缺点：
- 内存泄漏：ThreadLocal使用静态的内部Map来存储变量副本，如果不及时清理，会导致内存泄漏问题(后续展开介绍)。
- 难以调试：由于每个线程都有自己的变量副本，因此在调试过程中，需要考虑多个线程的情况，会增加调试的难度。
加锁的缺点：
- 性能问题：在高并发情况下，加锁会导致线程的阻塞，从而影响系统的性能。
- 容易导致死锁：如果加锁的操作不正确，可能会导致死锁问题，需要谨慎使用。
综合来看，ThreadLocal适合处理线程私有的数据，而加锁适合处理共享的资源，具体应该根据业务需求来选择。
ThreadLocal的实现原理
ThreadLocal的内部数据结构
直接查看源码:
Thread类:
public
class Thread implements Runnable {
//MAP
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
//用于父子线程变量同步, 后续介绍
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
}ThreadLocal的set()方法：
public void set(T value) {
//获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
//封装方法从获取线程中的ThreadLocalMap
//为什么封装方法呢? 为了后面扩展inheritableThreadLocals
ThreadLocalMap map = getMap(t);
//之前有创建过, 直接set
if (map != null)
map.set(this, value);
else
//之前没有创建, 新建Map并设置值
createMap(t, value);
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}从源码中我们可以看到, 在set方法中, 我们先是获取到当前线程, 然后以当前线程为入参调用getMap方法, 并获取thread线程中的ThreadLocalMap属性。如果map属性不为空，则直接更新value值，如果map为空，则实例化threadLocalMap, 并将value值初始化。
那么threadLocalMap又是什么呢? 我们接着往下看。
ThreadLocalMap和ThreadLocalMap.Entry的实现
public class ThreadLocal<T> {
static class ThreadLocalMap {
//继承弱应用, 方便垃圾回收
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
//数组, 用于存储多组数据
private Entry[] table;
}
}
从代码我们可以看到, threadLocalMap是ThreadLocal中的一个静态内部类, 在threadLocalMap又维护了一个名叫table的Entry数组。
Entry是什么呢?
Entry是一组组数据对, 而且继承的弱引用。在Entry内部使用ThreadLocal作为key，使用我们设置的value作为value。
key 就是 ThreadLocal，肯定不为空，但也是弱引用的。
也就是说，当 key 为 null 时，说明 ThreadLocal 已经被回收了，对应的 Entry 就应该被清除了。
ThreadLocalMap.set()方法
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//根据hashCode与长度计算索引位置
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i];
e != null;
// 如果下标冲突, 索引+1继续查找
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
//找到直接返回值
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
if (k == null) {
// key 为空, 说明 对应的 ThreadLocal 已经回收了.
// 可以复用当前位置.
// 有两种情况:1\. entry 存在, 在这个过时位置的后面. 所以需要置换到这个位置
// 2.不存在, 直接放到这个位置
replaceStaleEntry(key, value, i);
// 因为是替换， 所以size 要么不变，要么减少。
return;
}
}
// 没找到已存在的, 也没找到可以替换的过时. 则直接新建
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
// 如果没有清除过时 entry, 并且超过阈值. 则进行先尝试缩小,不行则扩容
rehash();
}在ThreadLocalMap中的set方法与构造方法能看到以下代码片段。
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1)int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1)
简而言之就是将threadLocalHashCode进行一个位运算（取模）得到索引i，threadLocalHashCode代码如下。
public class ThreadLocal<T> {
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
private static int nextHashCode() {
//自增
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
}因为static的原因，在每次new ThreadLocal()时因为threadLocalHashCode的初始化，会使threadLocalHashCode值自增一次，增量为0x61c88647。
0x61c88647是斐波那契散列乘数,它的优点是通过它散列(hash)出来的结果分布会比较均匀，可以很大程度上避免hash冲突。
有兴趣可以深入研究下去, 这里就不过多赘述了, 这里这样运算就是为了避免索引下标冲突。
总结一下:
对于某一ThreadLocal来讲，他的索引值i是确定的，在不同线程之间访问时访问的是不同的table数组的同一位置即都为table[i]，只不过这个不同线程之间的table是独立的。
对于同一线程的不同ThreadLocal来讲，这些ThreadLocal实例共享一个table数组，然后每个ThreadLocal实例在table中的索引i是不同的。
ThreadLocalMap.get()方法
public T get() {
//获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
//获取ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
//通过ThreadLocal获取Entry
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
//返回值
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
//设置初始值--null
return setInitialValue();
}
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
//计算下标, 通过下标从Entry数组中直接取值
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else
//索引冲突导致没有查找到, 继续查找
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
理解了set方法，get方法也就清楚明了，直接通过计算出索引直接从数组对应位置读取即可。
ThreadLocalMap.remove()方法
public void remove() {
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
m.remove(this);
}ThreadLocal的垃圾回收机制
ThreadLocal对象的垃圾回收机制比较特殊，主要涉及到两个对象：ThreadLocal对象和ThreadLocalMap对象。
每个ThreadLocal对象都会在当前线程的ThreadLocalMap中创建一个Entry对象，这个Entry对象包含了ThreadLocal对象和其对应的值。当ThreadLocal对象没有被其他对象引用，并且当前线程结束时，这个ThreadLocal对象会被标记为可回收的，并且被添加到一个特殊的ReferenceQueue中。
当垃圾回收器扫描到ReferenceQueue中的ThreadLocal对象时，它会将ThreadLocal对象对应的Entry对象从ThreadLocalMap中删除，并且清除Entry对象中对ThreadLocal对象和值的引用，从而使得ThreadLocal对象和值都能够被回收。
需要注意的是，虽然ThreadLocal对象被回收了，但是它在ThreadLocalMap中对应的Entry对象并没有被立即清除，只有在下一次调用ThreadLocalMap的set()、get()或remove()方法时才会触发Entry对象的清除操作。这是因为ThreadLocalMap中的Entry对象使用了弱引用，只有在下一次调用ThreadLocalMap时才会被垃圾回收器扫描到并被清除。
因此，使用ThreadLocal对象时需要注意，在不再需要使用ThreadLocal对象时，应该及时调用remove()方法，以便及时清除ThreadLocalMap中对应的Entry对象，从而避免内存泄漏。
ThreadLocal的使用场景
参数透传
当我们在写API接口的时候，通常Controller层会接受来自前端的入参，当这个接口功能比较复杂的时候，可能我们调用的Service层内部还调用了很多其他的很多方法，通常情况下，我们会在每个调用的方法上加上需要传递的参数。
但是如果我们将参数存入ThreadLocal中，那么就不用显式的传递参数了，而是只需要ThreadLocal中获取即可。
这个场景其实使用的比较少，一方面显式传参比较容易理解，另一方面我们可以将多个参数封装为对象去传递。
全局存储用户信息（项目中用到）
在现在的系统设计中，前后端分离已基本成为常态，分离之后如何获取用户信息就成了一件麻烦事，通常在用户登录后， 用户信息会保存在Session或者Token中。这个时候，我们如果使用常规的手段去获取用户信息会很费劲，拿Session来说，我们要在接口参数中加上HttpServletRequest对象，然后调用 getSession方法，且每一个需要用户信息的接口都要加上这个参数，才能获取Session，这样实现就很麻烦了。
在实际的系统设计中，我们肯定不会采用上面所说的这种方式，而是使用ThreadLocal，我们会选择在拦截器的业务中， 获取到保存的用户信息，然后存入ThreadLocal，那么当前线程在任何地方如果需要拿到用户信息都可以使用ThreadLocal的get()方法 (异步程序中ThreadLocal是不可靠的, 后续会出文章详解)。
当用户登录后，会将用户信息存入Token中返回前端，当用户调用需要授权的接口时，需要在header中携带 Token，然后拦截器中解析Token，获取用户信息，调用自定义的类存入ThreadLocal中，当请求结束的时候，将ThreadLocal存储数据清空(这一点很重要，否则会产生内存泄漏)， 中间的过程无需再关注如何获取用户信息，只需要使用工具类的get方法即可。
解决线程安全问题
ThreadLocal的设计天然就做到了线程隔离。所以就不会出现线程安全问题。
以上就是Java多线程之ThreadLocal浅析的详细内容，更多关于Java多线程ThreadLocal的资料请关注编程网其它相关文章！
