前言

对于ThreadLocal，大家的第一反应可能是很简单呀，线程的变量副本，每个线程隔离。那这里有几个问题大家可以思考一下：

• ThreadLocal的 key 是弱引用，那么在 ThreadLocal.get()的时候，发生GC之后，key 是否为null？
• ThreadLocal中ThreadLocalMap的数据结构？
• ThreadLocalMap的Hash 算法？
• ThreadLocalMap中Hash 冲突如何解决？
• ThreadLocalMap的扩容机制？
• ThreadLocalMap中过期 key 的清理机制？探测式清理和启发式清理流程？
• ThreadLocalMap.set()方法实现原理？
• ThreadLocalMap.get()方法实现原理？
• 项目中ThreadLocal使用情况？遇到的坑？

ThreadLocal代码演示

我们先看下ThreadLocal使用示例：

public class ThreadLocalTest {

    public static final ThreadLocal<ThreadLocalTest> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(ThreadLocalTest::new);
    private List<String> messages = new ArrayList<>();
    
    public static void addMessage(String message){
        threadLocal.get().messages.add(message);
    }
    public static List<String> clear() {
        List<String> messages = threadLocal.get().messages;
        threadLocal.remove();

        System.out.println("size: " + threadLocal.get().messages.size());
        return messages;
    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocalTest.addMessage("一枝花算不算浪漫");
        System.out.println(threadLocal.get().messages);
        ThreadLocalTest.clear();
    }
}
打印结果：
[一枝花算不算浪漫]
size: 0

ThreadLocal对象可以提供线程局部变量，每个线程Thread拥有一份自己的副本变量，多个线程互不干扰。

ThreadLocal的数据结构

Thread类有一个类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap的实例变量threadLocals，也就是说每个线程有一个自己的ThreadLocalMap。

ThreadLocalMap有自己的独立实现，可以简单地将它的key视作ThreadLocal，value为代码中放入的值（实际上key并不是ThreadLocal本身，而是它的一个弱引用）。

每个线程在往ThreadLocal里放值的时候，都会往自己的ThreadLocalMap里存，读也是以ThreadLocal作为引用，在自己的map里找对应的key，从而实现了线程隔离。

ThreadLocalMap有点类似HashMap的结构，只是HashMap是由数组+链表实现的，而ThreadLocalMap中并没有链表结构。

我们还要注意Entry， 它的key是ThreadLocal<?> k ，继承自WeakReference， 也就是我们常说的弱引用类型。

GC 之后 key 是否为 null？

回应开头的那个问题， ThreadLocal 的key是弱引用，那么在ThreadLocal.get()的时候，发生GC之后，key是否是null？

为了搞清楚这个问题，我们需要搞清楚Java的四种引用类型：

• 强引用：我们常常 new 出来的对象就是强引用类型，只要强引用存在，垃圾回收器将永远不会回收被引用的对象，哪怕内存不足的时候
• 软引用：使用 SoftReference 修饰的对象被称为软引用，软引用指向的对象在内存要溢出的时候被回收
• 弱引用：使用 WeakReference 修饰的对象被称为弱引用，只要发生垃圾回收，若这个对象只被弱引用指向，那么就会被回收
• 虚引用：虚引用是最弱的引用，在 Java 中使用 PhantomReference 进行定义。虚引用中唯一的作用就是用队列接收对象即将死亡的通知

这个问题刚开始看，如果没有过多思考，弱引用，还有垃圾回收，那么肯定会觉得是null。

其实是不对的，因为题目说的是在做 ThreadLocal.get() 操作，证明其实还是有强引用存在的，所以 key 并不为 null，如下图所示，ThreadLocal的强引用仍然是存在的。

如果我们的强引用不存在的话，那么 key 就会被回收，也就是会出现我们 value 没被回收，key 被回收，导致 value 永远存在，出现内存泄漏。

ThreadLocal.set()方法源码详解

ThreadLocal中的set方法原理如上图所示，很简单，主要是判断ThreadLocalMap是否存在，然后使用ThreadLocal中的set方法进行数据处理。

代码如下：

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

主要的核心逻辑还是在ThreadLocalMap中的，一步步往下看，后面还有更详细的剖析。

ThreadLocalMap Hash 算法

既然是Map结构，那么ThreadLocalMap当然也要实现自己的hash算法来解决散列表数组冲突问题

int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

ThreadLocalMap中hash算法很简单，这里i就是当前 key 在散列表中对应的数组下标位置。

这里最关键的就是threadLocalHashCode值的计算，ThreadLocal中有一个属性为HASH_INCREMENT = 0x61c88647

每当创建一个ThreadLocal对象，这个ThreadLocal.nextHashCode 这个值就会增长 0x61c88647 。

这个值很特殊，它是斐波那契数 也叫 黄金分割数。hash增量为 这个数字，带来的好处就是 hash 分布非常均匀。

ThreadLocalMap Hash 冲突

注明： 下面所有示例图中，绿色块Entry代表正常数据，灰色块代表Entry的key值为null，已被垃圾回收。白色块表示Entry为null。

虽然ThreadLocalMap中使用了黄金分割数来作为hash计算因子，大大减少了Hash冲突的概率，但是仍然会存在冲突。

HashMap中解决冲突的方法是在数组上构造一个链表结构，冲突的数据挂载到链表上，如果链表长度超过一定数量则会转化成红黑树。

而 ThreadLocalMap 中并没有链表结构，所以这里不能使用 HashMap 解决冲突的方式了。

如上图所示，如果我们插入一个value=27的数据，通过 hash 计算后应该落入槽位 4 中，而槽位 4 已经有了 Entry 数据。

此时就会线性向后查找，一直找到 Entry 为 null 的槽位才会停止查找，将当前元素放入此槽位中。

当然迭代过程中还有其他的情况，比如遇到了 Entry 不为 null 且 key 值相等的情况，还有 Entry 中的 key 值为 null 的情况等等都会有不同的处理，后面会一一详细讲解。

这里还画了一个Entry中的key为null的数据（Entry=2 的灰色块数据），因为key值是弱引用类型，所以会有这种数据存在。在set过程中，如果遇到了key过期的Entry数据，实际上是会进行一轮探测式清理操作的

ThreadLocalMap.set()详解

ThreadLocalMap.set()原理图解

往ThreadLocalMap中set数据（新增或者更新数据）分为好几种情况，针对不同的情况我们画图来说明。

第一种情况： 通过hash计算后的槽位对应的Entry数据为空：

这里直接将数据放到该槽位即可。

第二种情况： 槽位数据不为空，key值与当前ThreadLocal通过hash计算获取的key值一致：

这里直接更新该槽位的数据。

第三种情况： 槽位数据不为空，往后遍历过程中，在找到Entry为null的槽位之前，没有遇到key过期的Entry：

遍历散列数组，线性往后查找，如果找到Entry为null的槽位，则将数据放入该槽位中，或者往后遍历过程中，遇到了key 值相等的数据，直接更新即可。

第四种情况： 槽位数据不为空，往后遍历过程中，在找到Entry为null的槽位之前，遇到key过期的Entry，如下图，往后遍历过程中，遇到了index=7的槽位数据Entry的key=null：

散列数组下标为 7 位置对应的Entry数据key为null，表明此数据key值已经被垃圾回收掉了，此时就会执行replaceStaleEntry()方法，该方法含义是替换过期数据的逻辑，以index=7位起点开始遍历，进行探测式数据清理工作。

初始化探测式清理过期数据扫描的开始位置：slotToExpunge = staleSlot = 7

以当前staleSlot开始 向前迭代查找，找其他过期的数据，然后更新过期数据起始扫描下标slotToExpunge。for循环迭代，直到碰到Entry为null结束。

如果找到了过期的数据，继续向前迭代，直到遇到Entry=null的槽位才停止迭代，如下图所示，slotToExpunge 被更新为 0：

以当前节点(index=7)向前迭代，检测是否有过期的Entry数据，如果有则更新slotToExpunge值。碰到null则结束探测。以上图为例slotToExpunge被更新为 0。

接着开始以staleSlot位置(index=7)向后迭代，如果找到了相同 key 值的 Entry 数据：

从当前节点staleSlot向后查找key值相等的Entry元素，找到后更新Entry的值并交换staleSlot元素的位置(staleSlot位置为过期元素)，更新Entry数据，然后开始进行过期Entry的清理工作，如下图所示：

向后遍历过程中，如果没有找到相同 key 值的 Entry 数据：

创建新的Entry，替换table[stableSlot]位置：

替换完成后也是进行过期元素清理工作，清理工作主要是有两个方法：expungeStaleEntry()和cleanSomeSlots()。

遍历当前key值对应的桶中Entry数据为空，这说明散列数组这里没有数据冲突，跳出for循环，直接set数据到对应的桶中如果key值对应的桶中Entry数据不为空
2.1 如果k = key，说明当前set操作是一个替换操作，做替换逻辑，直接返回
2.2 如果key = null，说明当前桶位置的Entry是过期数据，执行replaceStaleEntry()方法(核心方法)，然后返回for循环执行完毕，继续往下执行说明向后迭代的过程中遇到了entry为null的情况
3.1 在Entry为null的桶中创建一个新的Entry对象
3.2 执行++size操作调用cleanSomeSlots()做一次启发式清理工作，清理散列数组中Entry的key过期的数据
4.1 如果清理工作完成后，未清理到任何数据，且size超过了阈值(数组长度的 2/3)，进行rehash()操作
4.2 rehash()中会先进行一轮探测式清理，清理过期key，清理完成后如果size >= threshold – threshold / 4，就会执行真正的扩容逻辑(扩容逻辑往后看)

ThreadLocalMap过期 key 的探测式清理流程

上面我们有提及ThreadLocalMap的两种过期key数据清理方式：探测式清理和启发式清理。

我们先讲下探测式清理，也就是expungeStaleEntry方法，遍历散列数组，从开始位置向后探测清理过期数据，将过期数据的Entry设置为null，沿途中碰到未过期的数据则将此数据rehash后重新在table数组中定位，如果定位的位置已经有了数据，则会将未过期的数据放到最靠近此位置的Entry=null的桶中，使rehash后的Entry数据距离正确的桶的位置更近一些。操作逻辑如下：

经过一轮探测式清理后，key过期的数据会被清理掉，没过期的数据经过rehash重定位后所处的桶位置理论上更接近i= key.hashCode & (tab.len - 1)的位置。这种优化会提高整个散列表查询性能。

ThreadLocalMap扩容机制

在ThreadLocalMap.set()方法的最后，如果执行完启发式清理工作后，未清理到任何数据，且当前散列数组中Entry的数量已经达到了列表的扩容阈值(len*2/3)，就开始执行rehash()逻辑：

if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
    rehash();

接着看下rehash()具体实现：

private void rehash() {
    expungeStaleEntries();

    if (size >= threshold - threshold / 4)
        resize();
}

private void expungeStaleEntries() {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    for (int j = 0; j < len; j++) {
        Entry e = tab[j];
        if (e != null && e.get() == null)
            expungeStaleEntry(j);
    }
}

这里首先是会进行探测式清理工作，从table的起始位置往后清理，上面有分析清理的详细流程。清理完成之后，table中可能有一些key为null的Entry数据被清理掉，所以此时通过判断size >= threshold - threshold / 4 也就是size >= threshold * 3/4 来决定是否扩容。

我们还记得上面进行rehash()的阈值是size >= threshold，所以当面试官套路我们ThreadLocalMap扩容机制的时候 我们一定要说清楚这两个步骤：

扩容后的tab的大小为oldLen * 2，然后遍历老的散列表，重新计算hash位置，然后放到新的tab数组中，如果出现hash冲突则往后寻找最近的entry为null的槽位，遍历完成之后，oldTab中所有的entry数据都已经放入到新的tab中了。

ThreadLocalMap.get()详解

上面已经看完了set()方法的源码，其中包括set数据、清理数据、优化数据桶的位置等操作，接着看看get()操作的原理。

第一种情况： 通过查找key值计算出散列表中slot位置，然后该slot位置中的Entry.key和查找的key一致，则直接返回：

第二种情况： slot位置中的Entry.key和要查找的key不一致：

我们以get(ThreadLocal1)为例，通过hash计算后，正确的slot位置应该是 4，而index=4的槽位已经有了数据，且key值不等于ThreadLocal1，所以需要继续往后迭代查找。

迭代到index=5的数据时，此时Entry.key=null，触发一次探测式数据回收操作，执行expungeStaleEntry()方法，执行完后，index 5,8的数据都会被回收，而index 6,7的数据都会前移。index 6,7前移之后，继续从 index=5 往后迭代，于是就在 index=6 找到了key值相等的Entry数据，如下图所示：

源码详解

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    while (e != null) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == key)
            return e;
        if (k == null)
            expungeStaleEntry(i);
        else
            i = nextIndex(i, len);
        e = tab[i];
    }
    return null;
}

ThreadLocalMap过期 key 的启发式清理流程

上面多次提及到ThreadLocalMap过期 key 的两种清理方式：探测式清理(expungeStaleEntry())、启发式清理(cleanSomeSlots())

探测式清理是以当前Entry 往后清理，遇到值为null则结束清理，属于线性探测清理。

而启发式清理被作者定义为：Heuristically scan some cells looking for stale entries.

InheritableThreadLocal

我们使用ThreadLocal的时候，在异步场景下是无法给子线程共享父线程中创建的线程副本数据的。

为了解决这个问题，JDK 中还有一个InheritableThreadLocal类，我们来看一个例子：

public class InheritableThreadLocalDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocal<String> ThreadLocal = new ThreadLocal<>();
        ThreadLocal<String> inheritableThreadLocal = new InheritableThreadLocal<>();
        ThreadLocal.set("父类数据:threadLocal");
        inheritableThreadLocal.set("父类数据:inheritableThreadLocal");

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("子线程获取父类ThreadLocal数据：" + ThreadLocal.get());
                System.out.println("子线程获取父类inheritableThreadLocal数据：" + inheritableThreadLocal.get());
            }
        }).start();
    }
}

打印结果：

子线程获取父类ThreadLocal数据：null
子线程获取父类inheritableThreadLocal数据：父类数据:inheritableThreadLocal

实现原理是子线程是通过在父线程中通过调用new Thread()方法来创建子线程，Thread#init方法在Thread的构造方法中被调用。在init方法中拷贝父线程数据到子线程中：

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
    if (name == null) {
        throw new NullPointerException("name cannot be null");
    }

    if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
        this.inheritableThreadLocals =
            ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
    this.stackSize = stackSize;
    tid = nextThreadID();
}

但InheritableThreadLocal仍然有缺陷，一般我们做异步化处理都是使用的线程池，而InheritableThreadLocal是在new Thread中的init()方法给赋值的，而线程池是线程复用的逻辑，所以这里会存在问题。

ThreadLocal项目中使用实战、使用场景

我们现在项目中日志记录用的是ELK+Logstash，最后在Kibana中进行展示和检索。

现在都是分布式系统统一对外提供服务，项目间调用的关系可以通过 traceId 来关联，但是不同项目之间如何传递 traceId 呢？

这里我们使用 org.slf4j.MDC 来实现此功能，内部就是通过 ThreadLocal 来实现的，具体实现如下：

当前端发送请求到服务 A时，服务 A会生成一个类似UUID的traceId字符串，将此字符串放入当前线程的ThreadLocal中，在调用服务 B的时候，将traceId写入到请求的Header中，服务 B在接收请求时会先判断请求的Header中是否有traceId，如果存在则写入自己线程的ThreadLocal中。

requestId即为我们各个系统链路关联的traceId，系统间互相调用，通过这个requestId即可找到对应链路，这里还有会有一些其他场景：

Feign 远程调用解决方案

服务发送请求：

@Component
@Slf4j
public class FeignInvokeInterceptor implements RequestInterceptor {

    @Override
    public void apply(RequestTemplate template) {
        String requestId = MDC.get("requestId");
        if (StringUtils.isNotBlank(requestId)) {
            template.header("requestId", requestId);
        }
    }
}

服务接收请求：

@Slf4j
@Component
public class LogInterceptor extends HandlerInterceptorAdapter {

    @Override
    public void afterCompletion(HttpServletRequest arg0, HttpServletResponse arg1, Object arg2, Exception arg3) {
        MDC.remove("requestId");
    }

    @Override
    public void postHandle(HttpServletRequest arg0, HttpServletResponse arg1, Object arg2, ModelAndView arg3) {
    }

    @Override
    public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) throws Exception {

        String requestId = request.getHeader(BaseConstant.REQUEST_ID_KEY);
        if (StringUtils.isBlank(requestId)) {
            requestId = UUID.randomUUID().toString().replace("-", "");
        }
        MDC.put("requestId", requestId);
        return true;
    }
}

线程池异步调用，requestId 传递

因为MDC是基于ThreadLocal去实现的，异步过程中，子线程并没有办法获取到父线程ThreadLocal存储的数据，所以这里可以自定义线程池执行器，修改其中的run()方法：

public class MyThreadPoolTaskExecutor extends ThreadPoolTaskExecutor {

    @Override
    public void execute(Runnable runnable) {
        Map<String, String> context = MDC.getCopyOfContextMap();
        super.execute(() -> run(runnable, context));
    }

    @Override
    private void run(Runnable runnable, Map<String, String> context) {
        if (context != null) {
            MDC.setContextMap(context);
        }
        try {
            runnable.run();
        } finally {
            MDC.remove();
        }
    }
}

使用 MQ 发送消息给第三方系统

在 MQ 发送的消息体中自定义属性requestId，接收方消费消息后，自己解析requestId使用即可。