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深入了解ThreadLocal底层原理-高并发架构

news 来源：原创 2025/9/17 13:20:09

目录

    • 什么是ThreadLocal
      • 应用场景
      • 需求实现
    • ThreadLocal核心源码解读
      • Thread 、ThreadLocal、ThreadLocalMap 三者的关系
    • 四大引用-强软弱虚类型
    • ThreadLocal内存泄漏
      • ThreadLocal为什么需要设计成弱引用？并且ThreadLocal用完需要remove呢？
      • 原因

什么是ThreadLocal

  • 全称thread local variable（线程局部变量）功用非常简单，使用场合主要解决多线程中数据因并发产生不一致问题
  • ThreadLocal 为每一个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某时间访问到的并不是同一个对象
  • 这样就隔离了多个线程对数据的数据共享，这样的结果是耗费了内存
  • 但是大大减少了线程同步所带来性能消耗，也减少了线程并发控制的复杂度
  • 总结概括起来就是：同个线程共享数据
  • 注意：ThreadLocal不能使用原子类型，只能使用Object类型

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应用场景

  • ThreadLocal 用作每个线程内需要独立保存信息，方便同个线程的其他方法获取该信息的场景
  • 每个线程获取到的信息可能都是不一样的，前面执行的方法保存了信息后，后续方法可以通过ThreadLocal 直接获取到
  • 避免了传参，类似于全局变量的概念
    • 比如用户登录令牌解密后的信息传递（用户权限信息、从用户系统获取到的用户名、用户ID）
      在这里插入图片描述

需求实现

  • 小作坊举办了德州扑克游戏，只要all in一次就可以挣钱
  • 开发一个程序，记录每个人all in 多次后，输出每个人赢得钱总额

public class PokerGame {ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(()->0);public void makeMoney(){String name = Thread.currentThread().getName();Integer amount = threadLocal.get();threadLocal.set(++amount);System.out.println(name+" all in");}public void showMoney(){String name = Thread.currentThread().getName();System.out.println(name+"总共挣钱:"+threadLocal.get());}public static void main(String[] args) {PokerGame pokerGame = new PokerGame();new Thread(()->{for(int i=0;i<10;i++){pokerGame.makeMoney();}pokerGame.showMoney();},"张三").start();new Thread(()->{for(int i=0;i<4;i++){pokerGame.makeMoney();}pokerGame.showMoney();},"李四").start();new Thread(()->{for(int i=0;i<7;i++){pokerGame.makeMoney();}pokerGame.showMoney();},"王二").start();}
}
  • 上文代码有啥问题
  • 是的，用完需要remove
      new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 10; i++) {pokerGame.makeMoney();}pokerGame.showMoney();} finally {pokerGame.threadLocal.remove();}}, "王二").start();
  • 为什么需要remove呢，继续往下看

ThreadLocal核心源码解读

Thread 、ThreadLocal、ThreadLocalMap 三者的关系

在这里插入图片描述

  • 关系
    • Thread类，里面有一个ThreadLocalMap类型的变量，变量名字叫threadLocals，是ThreadLocalMap类型
    • ThreadLocal类，里面有一个ThreadLocalMap静态内部类
      • 提供一系列方法操作ThreadLocalMap，比如get/set/remove
      • 隔离Thread和ThreadLocalMap，防止直接创建ThreadLocalMap
      • 自身的get/set内部会判断当前线程是否已经绑定一个ThreadLocalMap，有就继续使用，没有就为其自身绑定
    • ThreadLocalMap 就是保存ThreadLocal的map结构，key就是ThreadLocal本身
      • 所以一个线程只能存储一个值，可以理解为JVM内部维护的一个Map<Thread, Object>
      • 当线程需要用到Object，就用【当前线程】去Map里面获取对应的Object
  • 操作
    • Thread类里面有一个ThreadLocalMap类型的变量，不能直接操作这个ThreadLocalMap
    • 需要通过【工具箱】ThreadLocal才可以操作ThreadLocalMap
    • 一个Thread只能有一个ThreadLocalMap
    • ThreadLocalMap以ThreadLocal为键存储数据
      在这里插入图片描述
  • 总结
    • ThreadLocal本身并不存储值 ( 是一个壳子 )， 它只是自己作为一个key来让线程从ThreadLocalMap获取value
    • 因为这个原理，所以ThreadLocal能够实现 “每个线程之间的数据隔离”，获取当前线程的局部变量值，不受其他线程影响

四大引用-强软弱虚类型

在这里插入图片描述

  • 强引用

    • 强引用是使用最普遍的引用，当一个对象被强引用关联后，它就不会被垃圾回收器回收
    • 比如String str = “abc”，变量str就是字符串“abc”的强引用
    • 即使在【内存不足】的情况下，JVM宁愿抛出OutOfMemoryError，也不会回收这种对象

  • 软引用

    • 软引用是用来描述一些还有用但非必需的对象，当系统内存资源不足时，垃圾回收器会回收这些对象
    • 只有当内存不足时，才会回收软引用关联的对象；当内存资源充足时，不会回收软引用关联的对象，直接调用GC也不回收
    • 一般在高速缓存中会使用，内存不够时则回收相关对象释放内存
    • 使用 SoftReference< > 包装对象就可以转换为软引用

  • 弱引用

    • 弱引用也是用来描述非必需对象，但是它的强度比软引用更弱一些，只能生存到下一次垃圾收集发生之前
    • 只要垃圾回收器工作时，无论内存是否充足，都会回收被弱引用关联的对象。
    • 使用了WeakReference类来实现弱引用

  • 虚引用

    • 最弱的一种引用关系，一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例
    • 一个对象设置虚引用关联，目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知
    • 使用 PhantomReference类来实现虚引用，必需要组合使用一个引用队列ReferenceQueue
    • 当垃圾回收器要回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到关联的引用队列中
      • 在虚引用对象传到它的引用队列之前会调用对象的finalize方法
引用类型被垃圾回收时刻用途生存时间
强引用从来不会对象的一般状态JVM停止运行时终止
软引用在内存不足时对象简单，缓存，文件缓存，图片缓存内存不足时终止
弱引用在gc垃圾回收时对象简单，缓存，文件缓存，图片缓存gc运行后终止
虚引用任何时候都可能被垃圾回收器回收基本不写，虚拟机使用,
用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动		未知

ThreadLocal内存泄漏

ThreadLocal为什么需要设计成弱引用？并且ThreadLocal用完需要remove呢？

- ThreadLocal中的一个内部类ThreadLocalMap，这个类没有实现map接口，是一个普通的Java类，但是实现的类似map的功能
- 每个数据用Entry保存，继承WeakReference 指向**ThreadLocal（所以是弱引用）键值对存储，键为ThreadLocal的自身引用**
- 每个线程持有一个ThreadLocalMap对象，每一个新的线程Thread都会实例化一个ThreadLocalMap
- 并赋值给成员变量threadLocals，使用时若已经存在threadLocals，则直接使用已经存在的对象

在这里插入图片描述

原因

  • 两个原因分析 ThreadLocalMap 的key和value造成内存泄露解决方案
  • Key问题回收
    • 如果ThreadLocal的引用丢失，ThreadLocalMap的Key如果是强引用，则没法被回收, 造成泄露
    • 所以设计成弱引用，这个时候触发GC时，Key必定会被回收
    • 这个操作是ThreadLocal自身设计进行了解决
  • Value问题回收
    • 由于Key是弱引用被回收了，然后key是null，但是value是强引用对象没法被回收和访问，就导致内存泄露
    • 所以用完需要remove相关的value，这个操作需要开发人员进行操作
  • 开发中需要注意的点
    • 常规使用的线程，如果线程对象结束被回收，则上面的key和value都可以被回收
    • 但是在实际业务里面多数是使用线程池，就导致线程不能被回收，从而如果没remove对应的值，则会导致OOM
    • 常规set/get方法里面也会清除key为null的entry对象的方法，但实际开发还是需要直接调用remove方法删除

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‌第五章 AI驱动的智能投顾与普惠金融服务体系‌ ‌一、智能投顾技术架构的范式革新‌ ‌1. 技术演进三阶段‌ ‌阶段‌‌核心技术‌‌典型应用‌‌局限性‌规则引擎（2015-2020）决策树、专家系统银行理财风险评估自动化（覆盖率98%）无法应对黑天鹅事件机器学习（2020-2023）…...

编程日记 2025/9/14 4:00:40

机动车授权签字人考试题库及答案

一、单选题 11、 资质认定,是指(  )以上质量技术监督部门依据有关法律法规和标准、技术规范的规定,对检验检测机构的基本条件和技术能力是否符合法定要求实施的评价许可。资质认定包括检验检测机构计量认证。 A、县级 B、市级 C、地区 D、省级 答案&#xff1…...

编程日记 2025/9/15 11:20:06

Kafka系列之：记录一次源头数据库刷数据，造成数据丢失的原因

Kafka系列之：记录一次源头数据库刷数据，造成数据丢失的原因 一、背景二、查看topic日志信息三、结论四、解决方法一、背景 源头数据库在很短的时间内刷了大量的数据，部分数据在hdfs丢失了 理论上debezium数据采集不会丢失，就需要排查数据链路某个节点是否有数据丢失。 数据…...

编程日记 2025/9/14 9:27:59