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ThreadLocal使用不規(guī)范，師傅兩行淚

組內(nèi)來了一個實習(xí)生，看這小伙子春光滿面、精神抖擻、頭發(fā)微少，我心頭一喜：絕對是個潛力股。于是我找經(jīng)理申請親自來帶他，為了幫助小伙子快速成長，我給他分了一個需求，這不需求剛上線幾天就出網(wǎng)上問題了😭后臺監(jiān)控服務(wù)發(fā)現(xiàn)內(nèi)存一直在緩慢上升，初步懷疑是內(nèi)存泄露。

把實習(xí)生的PR都找出來仔細(xì)review，果然發(fā)現(xiàn)問題了。由于公司內(nèi)部代碼是保密的，這里簡單寫一個demo還原場景(忽略代碼風(fēng)格問題)。

public class ThreadPoolDemo { 
    private static final ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 1, TimeUnit.MINUTES, new LinkedBlockingQueue<>()); 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
        for (int i = 0; i < 100; ++i) { 
            poolExecutor.execute(new Runnable() { 
                @Override 
                public void run() { 
                    ThreadLocal<BigObject> threadLocal = new ThreadLocal<>(); 
                    threadLocal.set(new BigObject()); 
                    // 其他業(yè)務(wù)代碼 
                } 
            }); 
            Thread.sleep(1000); 
        } 
    } 
    static class BigObject { 
        // 100M 
        private byte[] bytes = new byte[100 * 1024 * 1024]; 
    } 
} 

代碼分析：

• 創(chuàng)建一個核心線程數(shù)和最大線程數(shù)都為10的線程池，保證線程池里一直會有10個線程在運行。
• 使用for循環(huán)向線程池中提交了100個任務(wù)。
• 定義了一個ThreadLocal類型的變量，Value類型是大對象。
• 每個任務(wù)會向threadLocal變量里塞一個大對象，然后執(zhí)行其他業(yè)務(wù)邏輯。
• 由于沒有調(diào)用線程池的shutdown方法，線程池里的線程還是會在運行。

乍一看這代碼好像沒有什么問題，那為什么會導(dǎo)致服務(wù)GC后內(nèi)存還高居不下呢?

代碼中給threadLocal賦值了一個大的對象，但是執(zhí)行完業(yè)務(wù)邏輯后沒有調(diào)用remove方法，最后導(dǎo)致線程池中10個線程的threadLocals變量中包含的大對象沒有被釋放掉，出現(xiàn)了內(nèi)存泄露。

大家說說這樣的實習(xí)生還能留不?

ThreadLocal的value值存在哪里?

實習(xí)生說他以為線程任務(wù)結(jié)束了threadLocal賦值的對象會被JVM垃圾回收，很疑惑為什么會出現(xiàn)內(nèi)存泄露。作為師傅我肯定要給他把原理講透呀。

ThreadLocal類提供set/get方法存儲和獲取value值，但實際上ThreadLocal類并不存儲value值，真正存儲是靠ThreadLocalMap這個類，ThreadLocalMap是ThreadLocal的一個靜態(tài)內(nèi)部類，它的key是ThreadLocal實例對象，value是任意Object對象。

ThreadLocalMap類的定義

static class ThreadLocalMap { 
    // 定義一個table數(shù)組，存儲多個threadLocal對象及其value值 
    private Entry[] table; 
    ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) { 
        table = new Entry[INITIAL_CAPACITY]; 
        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1); 
        table[i] = new Entry(firstKey, firstValue); 
        size = 1; 
        setThreshold(INITIAL_CAPACITY); 
    } 
    // 定義一個Entry類，key是一個弱引用的ThreadLocal對象 
    // value是任意對象 
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { 
        /** The value associated with this ThreadLocal. */ 
        Object value; 
        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { 
            super(k); 
            value = v; 
        } 
    } 
    // 省略其他 
} 

進(jìn)一步分析ThreadLocal類的代碼，看set和get方法如何與ThreadLocalMap靜態(tài)內(nèi)部類關(guān)聯(lián)上。

ThreadLocal類set方法

public class ThreadLocal<T> { 
 public void set(T value) { 
        Thread t = Thread.currentThread(); 
        ThreadLocalMap map = getMap(t); 
        if (map != null) 
            map.set(this, value); 
        else 
            createMap(t, value); 
    } 
 
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) { 
        return t.threadLocals; 
    } 
 
    void createMap(Thread t, T firstValue) { 
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue); 
    } 
    // 省略其他方法 
} 

set的邏輯比較簡單，就是獲取當(dāng)前線程的ThreadLocalMap，然后往map里添加KV，K是當(dāng)前ThreadLocal實例，V是我們傳入的value。這里需要注意一下，map的獲取是需要從Thread類對象里面取，看一下Thread類的定義。

public class Thread implements Runnable { 
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null; 
    //省略其他 
} 

Thread類維護(hù)了一個ThreadLocalMap的變量引用。

ThreadLocal類get方法

get獲取當(dāng)前線程的對應(yīng)的私有變量，是之前set或者通過initialValue的值，代碼如下：

class ThreadLocal<T> { 
    public T get() { 
        Thread t = Thread.currentThread(); 
        ThreadLocalMap map = getMap(t); 
        if (map != null) { 
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); 
            if (e != null) 
                return (T)e.value; 
        } 
        return setInitialValue(); 
    } 
} 

代碼邏輯分析：

• 獲取當(dāng)前線程的ThreadLocalMap實例;
• 如果不為空，以當(dāng)前ThreadLocal實例為key獲取value;
• 如果ThreadLocalMap為空或者根據(jù)當(dāng)前ThreadLocal實例獲取的value為空，則執(zhí)行setInitialValue();

ThreadLocal相關(guān)類的關(guān)系總結(jié)

看了上面的分析是不是對Thread，ThreadLocal，ThreadLocalMap，Entry這幾個類之間的關(guān)系有點暈了，沒關(guān)系我專門畫了一個UML類圖來總結(jié)(忽略UML標(biāo)準(zhǔn)語法)。

 

 

ThreadLocal相關(guān)類的關(guān)系

 

 

• 每個線程是一個Thread實例，其內(nèi)部維護(hù)一個threadLocals的實例成員，其類型是ThreadLocal.ThreadLocalMap。
• 通過實例化ThreadLocal實例，我們可以對當(dāng)前運行的線程設(shè)置一些線程私有的變量，通過調(diào)用ThreadLocal的set和get方法存取。
• ThreadLocal本身并不是一個容器，我們存取的value實際上存儲在ThreadLocalMap中，ThreadLocal只是作為TheadLocalMap的key。
• 每個線程實例都對應(yīng)一個TheadLocalMap實例，我們可以在同一個線程里實例化很多個ThreadLocal來存儲很多種類型的值，這些ThreadLocal實例分別作為key，對應(yīng)各自的value，最終存儲在Entry table數(shù)組中。
• 當(dāng)調(diào)用ThreadLocal的set/get進(jìn)行賦值/取值操作時，首先獲取當(dāng)前線程的ThreadLocalMap實例，然后就像操作一個普通的map一樣，進(jìn)行put和get。

ThreadLocal內(nèi)存模型原理

經(jīng)過上面的分析我們對ThreadLocal相關(guān)的類設(shè)計已經(jīng)非常清楚了，下面通過一張圖更加深入理解一下ThreadLocal的內(nèi)存存儲。

 

 

ThreadLocal內(nèi)存模型

 

 

圖中左邊是棧，右邊是堆。線程的一些局部變量和引用使用的內(nèi)存屬于Stack(棧)區(qū)，而普通的對象是存儲在Heap(堆)區(qū)。

• 線程運行時，我們定義的TheadLocal對象被初始化，存儲在Heap，同時線程運行的棧區(qū)保存了指向該實例的引用，也就是圖中的ThreadLocalRef。
• 當(dāng)ThreadLocal的set/get被調(diào)用時，虛擬機(jī)會根據(jù)當(dāng)前線程的引用也就是CurrentThreadRef找到其對應(yīng)在堆區(qū)的實例，然后查看其對用的TheadLocalMap實例是否被創(chuàng)建，如果沒有，則創(chuàng)建并初始化。
• Map實例化之后，也就拿到了該ThreadLocalMap的句柄，那么就可以將當(dāng)前ThreadLocal對象作為key，進(jìn)行存取操作。
• 圖中的虛線，表示key對應(yīng)ThreadLocal實例的引用是個弱引用。

強(qiáng)引用弱引用的概念

ThreadLocalMap的key是一個弱引用類型，源代碼如下：

static class ThreadLocalMap { 
    // 定義一個Entry類，key是一個弱引用的ThreadLocal對象 
    // value是任意對象 
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { 
        /** The value associated with this ThreadLocal. */ 
        Object value; 
        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { 
            super(k); 
            value = v; 
        } 
    } 
    // 省略其他 
} 

下面解釋一下常見的幾種引用概念。

強(qiáng)引用

一直活著：類似“Object obj=new Object()”這類的引用，只要強(qiáng)引用還存在，垃圾收集器永遠(yuǎn)不會回收掉被引用的對象實例。

弱引用

回收就會死亡：被弱引用關(guān)聯(lián)的對象實例只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生之前。當(dāng)垃圾收集器工作時，無論當(dāng)前內(nèi)存是否足夠，都會回收掉只被弱引用關(guān)聯(lián)的對象實例。在JDK 1.2之后，提供了WeakReference類來實現(xiàn)弱引用。

軟引用

有一次活的機(jī)會：軟引用關(guān)聯(lián)著的對象，在系統(tǒng)將要發(fā)生內(nèi)存溢出異常之前，將會把這些對象實例列進(jìn)回收范圍之中進(jìn)行第二次回收。如果這次回收還沒有足夠的內(nèi)存，才會拋出內(nèi)存溢出異常。在JDK 1.2之后，提供了SoftReference類來實現(xiàn)軟引用。

虛引用

也稱為幽靈引用或者幻影引用，它是最弱的一種引用關(guān)系。一個對象實例是否有虛引用的存在，完全不會對其生存時間構(gòu)成影響，也無法通過虛引用來取得一個對象實例。為一個對象設(shè)置虛引用關(guān)聯(lián)的唯一目的就是能在這個對象實例被收集器回收時收到一個系統(tǒng)通知。在JDK 1.2之后，提供了PhantomReference類來實現(xiàn)虛引用。

內(nèi)存泄露是不是弱引用的鍋?

從表面上看內(nèi)存泄漏的根源在于使用了弱引用，但是另一個問題也同樣值得思考：為什么ThreadLocalMap使用弱引用而不是強(qiáng)引用?

翻看官網(wǎng)文檔的說法：

To help deal with very large and long-lived usages, the hash table entries use WeakReferences for keys.

為了處理非常大和長期的用途，哈希表條目使用weakreference作為鍵。

分兩種情況討論：

(1)key 使用強(qiáng)引用

引用ThreadLocal的對象被回收了，但是ThreadLocalMap還持有ThreadLocal的強(qiáng)引用，如果沒有手動刪除，ThreadLocal不會被回收，導(dǎo)致Entry內(nèi)存泄漏。

(2)key 使用弱引

引用ThreadLocal的對象被回收了，由于ThreadLocalMap持有ThreadLocal的弱引用，即使沒有手動刪除，ThreadLocal也會被回收。value在下一次ThreadLocalMap調(diào)用set、get、remove的時候會被清除。

比較兩種情況，我們可以發(fā)現(xiàn)：由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一樣長，如果都沒有手動刪除對應(yīng)key，都會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，但是使用弱引用可以多一層保障：弱引用ThreadLocal被清理后key為null，對應(yīng)的value在下一次ThreadLocalMap調(diào)用set、get、remove的時候可能會被清除。

因此，ThreadLocal內(nèi)存泄漏的根源是：由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一樣長，如果沒有手動刪除對應(yīng)key就會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，而不是因為弱引用。

ThreadLocal最佳實踐

通過前面幾小節(jié)我們分析了ThreadLocal的類設(shè)計以及內(nèi)存模型，同時也重點分析了發(fā)生內(nèi)存泄露的條件和特定場景。最后結(jié)合項目中的經(jīng)驗給出建議使用ThreadLocal的場景：

• 當(dāng)需要存儲線程私有變量的時候。
• 當(dāng)需要實現(xiàn)線程安全的變量時。
• 當(dāng)需要減少線程資源競爭的時候。

綜合上面的分析，我們可以理解ThreadLocal內(nèi)存泄漏的前因后果，那么怎么避免內(nèi)存泄漏呢?

答案就是：每次使用完ThreadLocal，建議調(diào)用它的remove()方法，清除數(shù)據(jù)。

另外需要強(qiáng)調(diào)的是并不是所有使用ThreadLocal的地方，都要在最后remove()，因為他們的生命周期可能是需要和項目的生存周期一樣長的，所以要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇，以免出現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯錯誤!