Java技术架构 潜水
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吃透源码的每一个细节和设计原理--ThreadLocal

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Java技术架构 发表于 2019-10-22 18:19:00 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
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作者:口试君
引言

ThreadLocal 是口试过程中非常高频的一个类,这类的复杂程度绝对是可以带出一系列连环炮的口试轰炸。biu biu biu ~~~~.
一直以为自己对这个类很相识了,但是直到去看源码,接二连三的技术浮出水面(弱引用,制止内存溢出的操作,开放地址法办理hash 冲突,各种内部类的复杂的关系),看到你怀疑人生,直到根据代码一步一步的画图才最终理解(所以本篇文章会有大量的图)。 这里也给大家一个启示,面对复杂的事情的时候,实在被问题绕晕了,就画图吧,借助图可以让问题可视化,便于理解。
WAHT

ThreadLocal 是一个线程的本地变量,也就意味着这个变量是线程独有的,是不能与其他线程共享的,这样就可以制止资源竞争带来的多线程的问题,这种办理多线程的安全问题和lock(这里的lock 指通过synchronized 大概Lock 等实现的锁) 是有本质的区别的:

  • lock 的资源是多个线程共享的,所以访问的时候需要加锁。
  • ThreadLocal 是每个线程都有一个副本,是不需要加锁的。
  • lock 是通过期间换空间的做法。
  • ThreadLocal 是典范的通过空间换时间的做法。
当然他们的利用场景也是不同的,关键看你的资源是需要多线程之间共享的照旧单线程内部共享的
利用

ThreadLocal 的利用是非常简单的,看下面的代码

                               
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看到这里是不是以为特殊简单?别高兴太早,点进去代码看看,你绝对会怀疑人生
源码分析

在分析源码之前先画一下ThreadLocal ,ThreadLocalMap 和Thread 的关系,如果你对他们的关系还不相识的话,请看我的另一篇文章BAT口试必考:ThreadLocal ,ThreadLocalMap 和Thread 的关系

                               
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set 方法

                               
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createMap 方法只是在第一次设置值的时候创建一个ThreadLocalMap 赋值给Thread 对象的threadLocals 属性进行绑定,以后就可以直接通过这个属性获取到值了。从这里可以看出,为什么说ThreadLocal 是线程本地变量来的了

                               
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值真正是放在ThreadLocalMap 中存取的,ThreadLocalMap 内部类有一个Entry 类,key是ThreadLocal 对象,value 就是你要存放的值,上面的代码value 存放的就是hello word。ThreadLocalMap 和HashMap的功能雷同,但是实现上却有很大的不同:

  • HashMap 的数据结构是数组+链表
  • ThreadLocalMap的数据结构仅仅是数组
  • HashMap 是通过链地址法办理hash 冲突的问题
  • ThreadLocalMap 是通过开放地址法来办理hash 冲突的问题
  • HashMap 内里的Entry 内部类的引用都是强引用
  • ThreadLocalMap内里的Entry 内部类中的key 是弱引用,value 是强引用
为什么ThreadLocalMap 接纳开放地址法来办理哈希冲突?
jdk 中大多数的类都是接纳了链地址法来办理hash 冲突,为什么ThreadLocalMap 接纳开放地址法来办理哈希冲突呢?首先我们来看看这两种不同的方式
链地址法
这种方法的基本思想是将所有哈希地址为i的元素构成一个称为同义词链的单链表,并将单链表的头指针存在哈希表的第i个单元中,因而查找、插入和删除主要在同义词链中进行。列如对于关键字集合{12,67,56,16,25,37, 22,29,15,47,48,34},我们用前面同样的12为除数,进行除留余数法:

                               
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开放地址法
这种方法的基本思想是一旦发生了冲突,就去寻找下一个空的散列地址(这非常重要,源码都是根据这个特性,必须理解这里才能往下走),只要散列表充足大,空的散列地址总能找到,并将记录存入。
好比说,我们的关键字集合为{12,33,4,5,15,25},表长为10。 我们用散列函数f(key) = key mod l0。 当计算前S个数{12,33,4,5}时,都是没有冲突的散列地址,直接存入(蓝色代表为空的,可以存放数据):

                               
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计算key = 15时,发现f(15) = 5,此时就与5所在的位置冲突。于是我们应用上面的公式f(15) = (f(15)+1) mod 10 =6。于是将15存入下标为6的位置。这其实就是房子被人买了于是买下一间的作法:

                               
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链地址法和开放地址法的优缺点
开放地址法:

  • 轻易产生堆积问题,不适于大规模的数据存储。
  • 散列函数的设计对冲突会有很大的影响,插入时可能会出现多次冲突的现象。
  • 删除的元素是多个冲突元素中的一个,需要对背面的元素作处理,实现较复杂。
链地址法:

  • 处理冲突简单,且无堆积现象,平均查找长度短。
  • 链表中的结点是动态申请的,适合构造表不能确定长度的情况。
  • 删除结点的操作易于实现。只要简单地删去链表上相应的结点即可。
  • 指针需要额外的空间,故当结点规模较小时,开放定址法较为节流空间。
ThreadLocalMap 接纳开放地址法原因

  • ThreadLocal 中看到一个属性 HASH_INCREMENT = 0x61c88647 ,0x61c88647 是一个神奇的数字,让哈希码能均匀的分布在2的N次方的数组里, 即 Entry[] table,关于这个神奇的数字google 有很多解析,这里就不重复说了
  • ThreadLocal 往往存放的数据量不会特殊大(而且key 是弱引用又会被垃圾回收,及时让数据量更小),这个时候开放地址法简单的结构会显得更省空间,同时数组的查询服从也是非常高,加上第一点的保障,冲突概率也低
弱引用

如果对弱引用不相识的同学,先看下我之前的写的一篇文章别再找了,一文彻底解析Java 中的弱引用(参考官网)系
接下来我们看看ThreadLocalMap 中的存放数据的内部类Entry 的实现源码

                               
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我们可以知道Entry 的key 是一个弱引用,也就意味这可能会被垃圾回收器回收掉
threadLocal.get()==null也就意味着被回收掉了
ThreadLocalMap set 方法

                               
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照旧拿上面解释开放地址法解释的例子来说明下。 好比说,我们的关键字集合为{12,33,4,5,15,25},表长为10。 我们用散列函数f(key) = key mod l0。 当计算前S个数{12,33,4,5,15,25}时,并且此时key=33,k=5 已经逾期了(蓝色代表为空的,可以存放数据,赤色代表key 逾期,逾期的key为null):

                               
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replaceStaleEntry 这个方法

                               
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第一个for 循环是向前遍历数据的,直到遍历到空的entry 就制止(这个是根据开放地址的线性探测法),这里的例子就是遍历到index=1就制止了。向前遍历的过程同时会找出逾期的key,这个时候找到的是下标index=3 的为逾期,进入到
if (e.get() == null) slotToExpunge = i;注意此时slotToExpunge=3,staleSlot=5
第二个for 循环是从index=staleSlot开始,向后编列的,找出是否有和当前匹配的key,有的话进行清算逾期的对象和重新设置当前的值。这个例子遍历到index=6 的时候,匹配到key=15的值,进入如下代码

                               
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先辈行数据互换,注意此时slotToExpunge=3,staleSlot=5,i=6。这里就是把5 和6 的位置的元素进行互换,并且设置新的value=new,互换后的图是这样的

                               
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为什么要互换
这里解释下为什么互换,我们先来看看如果不互换的话,经过设置值和清算逾期对象,会是以下这张图

                               
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这个时候如果我们再一次设置一个key=15,value=new2 的值,通过f(15)=5,这个时候由于上次index=5是逾期对象,被清空了,所以可以存在数据,那么就直接存放在这里了

                               
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你看,这样整个数组就存在两个key=15 的数据了,这样是不允许的,所以一定要互换数据expungeStaleEntry

                               
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接下来我们详细模拟下整个过程 根据我们的例子,key=5,15,25 都是冲突的,并且k=5的值已经逾期,经过replaceStaleEntry 方法,在进入expungeStaleEntry 方法之前,数据结构是这样的

                               
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此时传进来的参数staleSlot=6,

                               
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这个时候会把index=6设置为null,数据结构变成下面的情况

                               
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接下来我们会遍历到i=7,经过int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1) (现实上对应我们的举例的函数int h= f(25)); 得到的h=5,而25现实存放在index=7 的位置上,这个时候我们需要从h=5的位置上重新开始编列,直到遇到空的entry 为止

                               
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这个时候h=6,并把k=25 的值移到index=6 的位置上,同时设置index=7 为空,如下图

                               
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其实目标跟replaceStaleEntry 互换位置的原理是一样的,为了防止由于回收掉中间那个冲突的值,导致背面冲突的值没办法找到(因为e==null 就跳出循环了)
ThreadLocal 内存溢出问题

通过上面的分析,我们知道expungeStaleEntry() 方法是帮助垃圾回收的,根据源码,我们可以发现 get 和set 方法都可能触发清算方法expungeStaleEntry(),所以正常情况下是不会有内存溢出的 但是如果我们没有调用get 和set 的时候就会可能面临着内存溢出,养成好习惯不再利用的时候调用remove(),加快垃圾回收,制止内存溢出
退一步说,就算我们没有调用get 和set 和remove 方法,线程结束的时候,也就没有强引用再指向ThreadLocal 中的ThreadLocalMap了,这样ThreadLocalMap 和内里的元素也会被回收掉,但是有一种伤害是,如果线程是线程池的, 在线程实行完代码的时候并没有结束,只是归还给线程池,这个时候ThreadLocalMap 和内里的元素是不会回收掉的
来源:掘金 链接:https://juejin.im/post/5d8b2bde51882509372faa7c

精彩评论20

鱼和水和烧烤摊 发表于 2020-4-17 11:06:13 | 显示全部楼层
再告诉你一个,你的用法是错的,ThreadLocal是用作静态变量的,不是局部变量
Guccang1 发表于 2020-4-26 10:26:45 | 显示全部楼层
开放地址法 很占用内存,还是拉链大法好。再hash也可以。
张多坤Andrew 发表于 2020-2-16 20:07:03 | 显示全部楼层
基础的东西还是需要翻看
jinlinlucky 发表于 2020-11-4 06:54:10 | 显示全部楼层
吃透源码的每一个细节和设计原理--ThreadLocal
Michae1 发表于 2020-4-7 07:44:42 | 显示全部楼层
吃透源码的每一个细节和设计原理--ThreadLocal
badBoy01 发表于 2019-12-30 22:37:18 | 显示全部楼层
弱引用那说的不太对吧
mark这时光 发表于 2020-2-16 19:00:18 | 显示全部楼层
手动赞一个
西新桥大猛男 发表于 2020-11-22 12:33:25 | 显示全部楼层
学习了
松冈孤月 发表于 2019-10-24 22:07:39 | 显示全部楼层
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