使用Java8模块环境，编制ThreadLocal源码输出模式，新的模拟type类别的开发并发
成长共勉 2020-06-16
一.介绍ThreadLocal
1.1ThreadLocal的功能
我们知道，变量从作用域范围进行分类，可以分为“全局变量”、“局部变量”两种：
1.全局变量（global variable），比如类的静态属性（加static关键字），在类的整个生命周期都有效；
2.局部变量（local variable)，比如在一个方法中定义的变量，作用域只是在当前方法内，方法执行完毕后，变量就销毁（释放）了；
使用全局变量，当多个线程同时修改静态属性，就容易出现并发问题，导致脏数据；而局部变量一般来说不会出现并发问题（在方法中开启多线程并发修改局部变量，仍可能引起并发问题）；
再看ThreadLocal，可以用来保存局部变量，只不过这个“局部”是指“线程”作用域，也就是说，该变量在该线程的整个生命周期中有效。
关于ThreadLocal的使用场景，可以查看ThreadLocal的使用场景分析。
1.2ThreadLocal的使用示例
ThreadLocal使用非常简单。
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二.源码分析-ThreadLocal
2.1ThreadLocal类层级关系
ThreadLocal类中有一个内部类ThreadLocalMap，这个类特别重要，ThreadLocal的各种操作基本都是围绕ThreadLocalMap进行的。
对于ThreadLocalMap有来说，它内部定义了一个Entry内部类，有一个table属性，是一个Entry数组，他们有一些相似的地方，但是ThreadLocalMap和HashMap并没有什么关系。
先大概看一下内存关系图，不理解也没关系，看了后面的代码应该就能理解了：
大概解释一下，栈中的Thread ref（引用）堆中的Thread对象，Thread对象有一个属性threadlocals(ThreadLocalMap类型)，这个Map中每一项(Entry)的value是ThreadLocal.set()的值，而Map的key则是ThreadLocal对象。
下面在介绍源码的时候，会从两部分进行介绍，先介绍ThreadLocal的常用api，然后再介绍ThreadLocalMap，因为ThreadLocal的api内部其实都是在操作ThreadLocalMap，所以看源码时一定要知道他们俩之间的关系。
2.2ThreadLocal的属性
ThreadLocal有3个属性，主要的功能就是生成ThreadLocal的hash值。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | // threadLocalHashCode用来表示当前ThreadLocal对象的hashCode，通过计算获得private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();// 一个AtomicInteger类型的属性，功能就是计数，各种操作都是原子性的，在并发时不会出现问题private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();// hash值的增量，不是随便指定的，被称为“黄金分割数”，能让hash结果均衡分布private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;/** * 通过计算，为当前ThreadLocal对象生成一个HashCode */private static int nextHashCode() { // 获取当前nextHashCode，然后递增HASH_INCREMENT return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);} |
2.3创建ThreadLocal对象
ThreadLocal类，只有一个无参构造器，如果需要是指默认值，则可以重写initialValue方法：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | public ThreadLocal() {}/** * 初始值默认为null，要设置初始值，只需要设置为方法返回值即可 * * @return ThreadLocal的初始值 */protected T initialValue() { return null;} |
需要注意的是initialValue方法并不会在创建ThreadLocal对象的时候设置初始值，而是延迟执行：当ThreadLocal直接调用get时才会触发initialValue执行（get之前没有调用set来设置过值），initialValue方法在后面还会介绍。
2.4ThreadLocal-set操作
下面这段代码只给出了ThreadLocal的set代码:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 | public void set(T value) { // 获取当前线程 Thread t = Thread.currentThread(); // 获取当前线程的ThreadLocalMap属性，ThreadLocal有一个threadLocals属性（ThreadLocalMap类型） ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) { // 如果当前线程有关联的ThreadLocalMap对象，则调用ThreadLocalMap的set方法进行设置 map.set(this, value); } else { // 创建一个与当前线程关联的ThreadLocalMap对象，并设置对应的value createMap(t, value); }}/** * 获取线程关联的ThreadLocalMap对象 */ThreadLocalMap getMap(Thread t) { return t.threadLocals;}/** * 创建ThreadLocalMap * @param t key为当前线程 * @param firstValue value为ThreadLocal.set的值 */void createMap(Thread t, T firstValue) { t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);} |
如果想立即了解ThreadLocalMap的set方法，则可点此跳转！
2.5ThreadLocal-get操作
前面说过“重写ThreadLocal的initialValue方法来设置ThreadLocal的默认值，并不是在创建ThreadLocal的时候执行的，而是在直接get的时候执行的”，看了下面的代码，就知道这句话的具体含义了，感觉设计很巧妙：
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2.6ThreadLocal-remove操作
一般是在ThreadLocal对象使用完后，调用ThreadLocal的remove方法，在一定程度上，可以避免内存泄露；
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | /** * 删除当前线程中threadLocals属性（map）中的Entry（以当前ThreadLocal为key的） */public void remove() { // 获取当前线程的threadLocals属性（ThreadLocalMap） ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread()); if (m != null) { // 调用ThreadLocalMap的remove方法，删除map中以当前ThreadLocal为key的entry m.remove(this); }} |
三.ThreadLocalMap内部类
3.0 线性探测算法解决hash冲突
在介绍ThreadLocalMap的之前，强烈建议先了解一下线性探测算法，这是一种解决Hash冲突的方案，如果不了解这个算法就去看ThreadLocalMap的源码就会非常吃力，会感到莫名其妙。
链接在此：利用线性探测法解决hash冲突
3.1Entry内部类
ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，ThreadLocalMap底层使用数组实现，每一个数组的元素都是Entry类型（在ThreadLocalMap中定义的），源码如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | /** * ThreadLocalMap中存放的元素类型，继承了弱引用类 */static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { // key对应的value，注意key是ThreadLocal类型 Object value; Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { super(k); value = v; }} |
ThreadLocalMap和HashMap类似，比较一下：
a:底层都是使用数组实现，数组元素类型都是内部定义，Java8中，HashMap的元素是Node类型（或者TreeNode类型），ThreadLocalMap中的元素类型是Entry类型；
b.都是通过计算得到一个值，将这个值与数组的长度（容量）进行与操作，确定Entry应该放到哪个位置；
c.都有初始容量、负载因子，超过扩容阈值将会触发扩容；但是HashMap的初始容量、负载因子是可以更改的，而ThreadLocalMap的初始容量和负载因子不可修改；
注意Entry继承自WeakReference类，在实例化Entry时，将接收的key传给父类构造器（也就是WeakReference的构造器），WeakReference构造器又将key传给它的父类构造器（Reference）:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | // 创建Reference对象，接受一个引用Reference(T referent) { this(referent, null);}// 设置引用Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) { this.referent = referent; this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;} |
关于Java的各种引用，可以参考：Java-强引用、软引用、弱引用、虚引用
3.2ThreadLocalMap的常量介绍
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | // ThreadLocalMap的初始容量private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;// ThreadLocalMap底层存数据的数组private Entry[] table;// ThreadLocalMap中元素的个数private int size = 0;// 扩容阈值，当size达到阈值时会触发扩容（loadFactor=2/3;newCapacity=2*oldCapacity）private int threshold; // Default to 0 |
3.3创建ThreadLocalMap对象
创建ThreadLocalMap，是在第一次调用ThreadLocal的set或者get方法时执行，其中第一次未set值，直接调用get时，就会利用ThreadLocal的初始值来创建ThreadLocalMap。
ThreadLocalMap内部类的源码如下：
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3.4 ThreadLocalMap的set操作
ThreadLocal的set方法，其实核心就是调用ThreadLocalMap的set方法，set方法的流程比较长
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上面最后几行代码涉及到清理陈旧Entry和rehash，这两块的代码在下面。
3.5清理陈旧Entry和rehash
陈旧的Entry，是指Entry的key为null，这种情况下，该Entry是不可访问的，但是却不会被回收，为了避免出现内存泄漏，所以需要在每次get、set、replace时，进行清理陈旧的Entry，下面只给出一部分代码：
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在rehash的时候，涉及到“线性探测法”，是一种用来解决hash冲突的方案，可以查看利用线性探测法解决hash冲突了解详情。
3.6ThreadLocalMap-remove操作
remove操作，是调用ThreadLocal.remove()方法时，删除当前线程的ThreadLocalMap中该ThreadLocal为key的Entry。
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https://group.cnblogs.com/topic/93178.html
https://group.cnblogs.com/179918/
https://group.cnblogs.com/topic/93179.html
https://group.cnblogs.com/179917/
https://www.cnblogs.com/dsdgrh/articles/13140658.html
https://www.cnblogs.com/dsdgrh/p/13140658.html
四.总结
在学习ThreadLocal类源码的过程还是受益颇多的：
1.ThreadLocal的使用场景；
2.initialValue的延迟执行；
3.HashMap使用链表+红黑树解决hash冲突，ThreadLocalMap使用线性探测算法（开放寻址）解决hash冲突
另外，ThreadLocal还有一部分内容，是关于弱引用和内存泄漏的问题，我会继续写一篇博客进行总结。
