【學習筆記】ThreadLocal與引用類型相關知識點

2020 年 8 月 5 日
筆記
JavaSE/JVM

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今天以「TheadLocal 為什麼會導致內存泄漏」為題與朋友們討論了一波，引出了一些原理性的內容，本文就這個問題作答，並擴展相關的知識點

1 ThreadLocal 和 ThreadLocalMap 是什麼？

簡單來說，ThreadLocal 是一種操作與線程綁定的共享對象的工具，通過ThreadLocal可以將一些對象保存在線程上，實現同線程不同方法之間的對象共享。

線程的上下文由 ThreadLocalMap 組成，它是 ThreadLocal 的靜態內部類，存儲着線程共享對象。

一般來說，我們無需顯式創建ThreadLocalMap，也無需為裝入ThreadLocalMap 對象設 key 值，因為在 set 方法執行時會創建 ThreadLocalMap，並將當前 ThreadLocal 對象作為 key，待存儲對象作為 value，存儲到 ThreadLocalMap。

值得一提的是，ThreadLocalMap 的 key 與 value 的類型是不同的，key 是弱引用類型的，value 是強引用類型的。

2 Thread、ThreadLocal 與 ThreadLocalMap 之間的關係

Thread 與 ThreadLocalMap

首先 ThreadLocalMap 是與 Thread 進行綁定的，ThreadLocalMap 是線程上實際存儲共享對象的容器。

如下圖，threadLocals 就是默認的 ThreadLocalMap，默認為 null

綁定 ThreadLocalMap 到 Thread 的位置在 ThreadLocal 的 createMap 方法中，threadLocals 引用指向 ThreadLocalMap。（這裡還包含了放置第一個對象的操作）

ThreadLocal 的 getMap 方法取的就是線程的 threadLocals

ThreadLocal與ThreadLocalMap

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 類的靜態內部類，ThreadLocal 是操作 ThreadLocalMap 的工具，還是 ThreadLocalMap 的 key 對象，在 ThreadLocal 作為 key 保存前轉換成弱引用類型。

一般我們通過 ThreadLocal 的 set 方法進行保存對象，在 set 方法內部獲取了當前線程的 ThreadLocalMap，調用 ThreadLocalMap 的 set 方法進行保存對象。

使用 this 關健字將當前使用的 ThreadLocal 對象作為 key 存到 ThreadLocalMap 中，以減小 key 衝突的可能性。

ThreadLocalMap 中的 set 方法主要是創建一個 Entry 對象放進數組中，Entry 繼承 WeakReference 類，將 Entry 的 key（也就是 ThreadLocal）轉成弱類型。

一句話總結它們之間的關係

每個 Thread 綁定 ThreadLocalMap 來存儲線程上下文共享對象，ThreadLocalMap 中的key（即，ThreadLocal）在同一線程中是唯一的。單線程情況下，每個 ThreadLocal 只對應一個值對象。

3 ThreadLocal導致的內存泄漏的原因是什麼？

導致內存泄漏的原因在於程序員未在使用完ThreadLocalMap中存儲的對象後清除這些對象。

ThreadLocalMap是維護在Thread內部的，意味着只要線程不退出，ThreadLocalMap中保存的對象引用就會一直存在，由於垃圾回收器是依據可達性分析的，存在強引用的對象不會被回收，而ThreadLocalMap中存儲的對象都是強引用的。

假設當前線程處於一個死循環中（比如，Tomcat），隨着ThreadLocalMap保存的對象越來越多，垃圾收集器無法回收強引用的對象，就會導致可用堆內存越來越小，出現內存泄漏，最終拋出OOM。

4 如何清理 ThreadLocalMap 存儲的對象？

用完 ThreadLocal 存儲的對象後，只需調用 ThreadLocal 的 remove 方法，就會自動將 ThreadLocalMap 中的 K-V 對引用置空，垃圾收集器會在合適的時機內清除 K-V 對象釋放內存。

ThreadLocal 類 remove 方法，獲取當前線程上的 ThreadLocalMap 移除以此 ThreadLocal 為 key 的對象。通過調用 ThreadLocalMap 的 remove 方法實現。

ThreadLocalMap 的 remove 方法中，e.clear() 調用的是key對象繼承的 Reference 類的 clear()，對 key 引用置空，expungeStaleEntry(i) 對 value 引用置空。

ThreadLocalMap 的 expungeStaleEntry 方法，分別取出 ThreadLocalMap 中的 Entry 的 value 與 Entry 本身先後置空。

5 為什麼ThreadLocalMap使用弱引用key?

ThreadLocalMap 是與線程綁定的，線程不退出，強引用的key對象就不會被垃圾回收，當用戶妥善處理的無用K-V對象就會導致內存泄漏。利用弱引用可以及時被 GC 的特性，回收絕大多數key（除 static 域的全局 key 外），以減緩內存泄漏。

實際上最需要回收的是value對象，弱引用key只是一種挽救措施。

6 ThreadLocalMap 為什麼使用強引用 value，而不是弱引用？

與 key 不同的是，key 僅作為索引，實際工作的是 value，value 需要共享。

當局部 value 對象所在的方法結束，棧楨被清空時，會將局部 value 對象引用銷毀，垃圾收集器會清除沒有引用的對象。

如果此時設置成弱引用裝入 Map，value 對象會在某次 GC 時消亡，這肯定不是我們希望的。

我們希望的是value對象可以維持存活以共享，只有強引用可以達到目的。

7 線程池會累積 ThreadLocalMap 的佔用的內存而出現內存泄漏嗎？

解釋下問題，之前有講過，ThreadLocalMap 與 Thread 的生命周期是一致的，而線程池技術是復用線程的，如果之前的 ThreadLocalMap 已經開始內存泄漏，是否會出現累積已泄漏的內存？

線程池不存在這個問題，雖然它復用了線程，但是清除了上一線程的所有資源。

8 線程有一個ThreadLocalMap，ThreadLocal也只有一個值，為何還會內存泄漏？

這是我自己思考時提出來的，能問出這個問題，只能說當時還沒完全理解ThreadLocal與ThreadLocalMap的對應關係。

原問題：一個線程有一個ThreadLocalMap（不考慮繼承ThreadLocal的那個實現），即然 ThreadLocal 作為 key 了，那麼ThreadLocalMap中是否只會有一個Entry，內存再泄露能泄露到哪裡去？（誤認為ThreadLocalMap與ThreadLocal綁定，只有一個，也只能裝一個Entry，這是錯誤的）

其實 ThreadLocal 我們可以創建很多個，ThreadLocalMap卻只有一個（不考慮繼承ThreadLocal的那個實現）,通過創建多個 ThreadLocal 來存取 ThreadLocalMap 中的對象。

偽代碼舉例：

ThreadLocal<A> aThreadLocal = new ThreadLocal<A>();
ThreadLocal<B> bThreadLocal = new ThreadLocal<B>();
aThreadLocal.set(new A("a"));
bThreadLocal.set(new B("b"));
aThreadLocal.get();
bThreadLocal.get();

我在ThreadLocal的getMap(）打了斷點，當前線程中 ThreadLocalMap 中有兩個對象，可以看到referent中記錄了保存對象的ThreadLocal對象的HashCode。這起碼證明了ThreadLocalMap不僅僅能裝一個對象

9 【擴展】Java對象的引用類型

強引用：常見new的對象，只要還有強引用的對象，則不會被GC
軟引用：比強引用弱，僅當JVM內存不足時才會清理，清理時機在OOM前
弱引用：只提供非強制的映射關係，會被JVM擇機清理
虛引用（幻象引用）：無法通過它訪問對象，只確保對象在finalize後執行某些操作

轉載請註明出處：【Hellxz】 //www.cnblogs.com/hellxz/p/java-threadlocal.html

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