ThreadLocal及InheritableThreadLocal基本原理及注意项

背景

        同事在使用ThreadLocal时，需要把主线程中的ThreadLocal值传输到子线程（线程池维护）中，故使用了InheritableThreadLocal作为传输。后发现，主线程执行ThreadLocal.remove()后，子线程中的ThreadLocal并不会被remove()，导致线程池中维护的ThreadLocal存储的值一直不变。于是深入进行了研究。

ThreadLocal原理

        要讲清楚InheritableThreadLocal原理，首先要知道ThreadLocal是如何做到在线程中存储变量的，因为两者本质上是一个东西，只是InheritableThreadLocal多了一个子线程可继承的功能（部分方法实现不同）。

        直觉上理解可能认为ThreadLocal是一个Map，保存着Thread和存储变量的一个映射，就像这样Map<Thread, V>，但实际不是。

        从Thread类的源码中，我们可以看到这样一个threadLocals变量

public
class Thread implements Runnable {
.../* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained* by the ThreadLocal class. */ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
...
}

       ThreadLocalMap中里面有一个Entry类，类似我们熟知的HashMap中，也有一个Entry类一样，ThreadLocalMap中的Entry存的则是<ThreadLocal<?>, value>，保存着ThreadLocal和value的映射。

static class ThreadLocalMap {
...static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {Object value;Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {super(k);value = v;}}
...private Entry[] table;
...
}

        同时ThreadLocalMap中，有一个Entry数组table作为存储。那么我们可以画出实际上Thread和ThreadLocal的关系实际上是这样的。

         也就是一个Thread可以拥有多个ThreadLocal，通过ThreadLocalMap来进行存储，这就是ThreadLocal和Thread之间的关系。

        顺带补充一下，我们知道HashMap底层结构是数组+链表，用Key值的HashCode来计算数组中存放的index，用链表来解决哈希冲突，即链地址法。

        而ThreadLocalMap类似，利用ThreadLocal的hashcode来计算数组中存放的index，但是解决哈希冲突方法是，如果计算出来的index已存放了元素，那么index+1，越界时则重新回到0。当然这样最终会导致无地址可以用，再一直这样循环查找会导致死循环，所以当数组中元素超出一定阈值(threshold)时，就会进行扩容，此处便不再进行展开。

        前面讲了ThreadLocal和Thread的联系，那么调用ThreadLocal.set的时候，是如何做到保存到对应线程中的，调用get时候又是怎么取出来的。

Set方法

        首先先看到 ThreadLocal的set源码：

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

         当调用set时，首先会获取到当前执行线程，并获取当前线程的 threadLocals 属性，即上文我们着重讲的ThreadLocalMap，若不存在则创建，然后以当前的ThreadLocal对象作为key，存入ThreadLocalMap中。大致流程图如下：

         这里我们也可以知道Thread中的ThreadLocalMap并不是构建出来就创建了的，而是需要用到的时候再去创建，这种懒加载的思想其实可以用到我们日常开发中，对于在某些判断分支下不需要创建的数组或对象不要提前进行创建。

Get方法

        接下来看到 ThreadLocal的get源码：

    public T get() {Thread t = Thread.currentThread();ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null) {ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")T result = (T)e.value;return result;}}return setInitialValue();}private T setInitialValue() {T value = initialValue();Thread t = Thread.currentThread();ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null)map.set(this, value);elsecreateMap(t, value);return value;}ThreadLocalMap getMap(Thread t) {return t.threadLocals;}void createMap(Thread t, T firstValue) {t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);}

        当调用get时，首先会获取当前执行线程，从线程中获取ThreadLocalMap，再从ThreadLocalMap中获取当前ThreadLocal对应的值。当获取不到ThreadLocalMap，或者当前ThreadLocal没有值时，则进行初始化，若当前线程ThreadLocalMap不存在，则创建当前线程的ThreadLocalMap，并存放入初始值（默认为null），若已存在，则存入当前ThreadLocal和初始值至ThreadLocalMap中。大致流程图如下：

         图上和代码上的判定分支流程略有差异，但意思一致，initialValue() 默认return null，所以这里用null表达，可以对照源码理解。

        至此，对ThreadLocal的基本原理我们有了大致上的理解，还有常用remove方法及其他建议自行阅读源码。这里仅对自己的研究做一个总结和分享。

        那么接下来，就可以研究 InheritableThreadLocal 是如何实现可继承性的。

InheritableThreadLocal原理

        InheritableThreadLocal作用是：将在父线程中放入ThreadLocal的值，在子线程中继承使用。正常我们使用ThreadLocal是无法做到这一步的，我们可以写一段程序实验一下。

         这里我们看到输出了null，当然，这是必然的。ThreadLocal设计就是为了保存线程各自的本地变量互不干扰，如果两个线程能访问到同一个，那就变得线程不安全，也违背了它的设计。

        然后我们将ThreadLocal换成InheritableThreadLocal，再试试。

         可以看到获取ThreadLocal中的值成功了。那这样是否会导致线程不安全呢，还能叫线程本地变量么，答案是可以的。接下来看下InheritableThreadLocal的实现，我们就可以理解了。

        首先看Thread类中，可以看到有两个ThreadLocalMap，threadLocals 和inheritableThreadLocals。

public
class Thread implements Runnable {
.../* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained* by the ThreadLocal class. */ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;/** InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is* maintained by the InheritableThreadLocal class.*/ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
...
}

        从注释可以看到，简单来说，就是 ThreadLocal 的值放到 threadLocals 里，InheritableThreadLocal 的值放到 inheritableThreadLocals 里。

        那么我们首先可以有一个概念——InheritableThreadLocal 的值会放到 Thread的 inheritableThreadLocals 属性中进行操作。

InheritableThreadLocal源码

        再来看 InheritableThreadLocal 的源码，可以看到它继承了 ThreadLocal，并重写了其中几个方法。它的可继承能力，就在它重写的几个方法中。

public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {protected T childValue(T parentValue) {return parentValue;}ThreadLocalMap getMap(Thread t) {return t.inheritableThreadLocals;}void createMap(Thread t, T firstValue) {t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);}
}

大致看下这几个方法：       

• childValue(): 直接返回传入的parentValue，这个看起来有点不明所以，之后再来展开 
• getMap(Thread t): 返回了t.inheritableThreadLocals，结合之前的get，set源码的阅读，也就算说如果你是一个InheritableThreadLocal对象，那么它会从线程的inheritableThreadLocals来执行get，set操作
• createMap(Thread t, T firstValue): 创建一个ThreadLocalMap，并赋值给线程的inheritableThreadLocals

        从上述getMap、createMap方法，结合我们之前看到get，set源码，那就可以理解到“InheritableThreadLocal 的值会放到 Thread的 inheritableThreadLocals 属性中进行操作”这句话的意义。

childValue与parentMap浅拷贝

        那么childValue()是干嘛的呢？看下哪里会调到它，就会发现一片新的天地。顺着childValue点开调用它的地方，可以看到是一个私有构造函数。

    private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {Entry[] parentTable = parentMap.table;int len = parentTable.length;setThreshold(len);table = new Entry[len];for (int j = 0; j < len; j++) {Entry e = parentTable[j];if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get();if (key != null) {Object value = key.childValue(e.value);Entry c = new Entry(key, value);int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);while (table[h] != null)h = nextIndex(h, len);table[h] = c;size++;}}}}

        大致浏览一下，可以看到，它作用是把传入的 parentMap 浅拷贝到当前子线程的ThreadLocalMap中。

        那么再看下这个私有构造函数被谁调用，依次跟下来可以看到这样一个调用链。

        > new Thread(...)

               > init(...)

                       >ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals)

                              >ThreadLocalMap(parentMap)

init方法

        init方法会在构建Thread的时候执行，在 init 方法中，我们可以看到这么一段：

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,long stackSize, AccessControlContext acc,boolean inheritThreadLocals) {
...
Thread parent = currentThread();
...
if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)this.inheritableThreadLocals =ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
...
}

        当if条件不为 false 时，那么就会触发浅拷贝，将父线程中inheritableThreadLocals中的值复制到子线程的inheritableThreadLocals中。

        这里父线程 parent = currentThread(); 如果不理解的话，想一下，我们是从当前线程再创建线程，那么当前线程其实就是父线程了。

        这里我们再来看两个条件 inheritThreadLocals 和 parent.inheritableThreadLocals != null

        首先看 inheritThreadLocals，可以看到它是由方法入参来的，那么就看下它被调的时候，传了啥。     

        这里看到有两个地方调了它，有acc（AccessControlContext）传false，没有的时候传true，这里 AccessControlContext 是什么可以自行研究，正常new Thread()的时候，默认传true。

        搞定完 inheritThreadLocals，再来看 parent.inheritableThreadLocals != null，这个条件比较好理解。InheritableThreadLocal类重写了 createMap 和 getMap 方法，将所有操作指向了 Thread.inheritableThreadLocals。

        那么只要我们在父线程的 InheritableThreadLocal，调用get或set了，那么 parent.inheritableThreadLocals != null 就成立。

        上述两个条件 inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null 成立后，那就会触发浅拷贝到子线程的 inheritableThreadLocals 中了，在构建完成后，子线程便可以读取到父线程中ThreadLocal中的值。

        （注：父子线程中的 inheritableThreadLocals 并不共享，依旧保持ThreadLocal特性，仅仅是将父线程 inheritableThreadLocals 的元素浅拷贝到子线程中，子线程有自己的inheritableThreadLocals）

注意项

1. ThreadLocal与当前线程绑定，如果不用的时候需及时进行remove，否则会导致内存泄露。
2. InheritableThreadLocal 中是将父线程中的 inheritableThreadLocals 浅拷贝到到子线程中，代码上看就算不使用也会拷贝。（如理解有误请指正）
3. 父子线程的 inheritableThreadLocals 并不共享，如果你在父线程中执行了remove，子线程中不会受影响，依旧可以get出来。如果有使用到判空get值做判空处理，需注意。
4. inheritableThreadLocals 只会在初始化时进行拷贝，如果使用线程池需要注意。可看下面例子。

        ThreadLocal<String> t = new InheritableThreadLocal<>();t.set("test");ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();executorService.execute(() -> {System.out.println(t.get());t.remove();});// 确保上面代码执行完毕Thread.sleep(1000);// 再次执行，在同一线程中，没有新建线程，所以不会进行重新拷贝，输出为nullexecutorService.execute(() -> {System.out.println(t.get());});

        输出为：