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ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

分类: 文章 • 2024-09-03 23:34:40

先说可能会发生内存泄漏：

前言

ThreadLocal 的作用是提供线程内的局部变量，这种变量在线程的生命周期内起作用，减少同一个线程内多个函数或者组件之间一些公共变量的传递的复杂度。但是如果滥用ThreadLocal，就可能会导致内存泄漏。下面，我们将围绕三个方面来分析ThreadLocal 内存泄漏的问题

  • ThreadLocal 实现原理
  • ThreadLocal为什么会内存泄漏
  • ThreadLocal 最佳实践

ThreadLocal 实现原理

ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

ThreadLocal

ThreadLocal的实现是这样的：每个Thread 维护一个 ThreadLocalMap 映射表，这个映射表的 key 是 ThreadLocal实例本身，value 是真正需要存储的 Object。

也就是说 ThreadLocal 本身并不存储值，它只是作为一个 key 来让线程从 ThreadLocalMap 获取 value。值得注意的是图中的虚线，表示 ThreadLocalMap 是使用 ThreadLocal 的弱引用作为 Key 的，弱引用的对象在 GC 时会被回收。

ThreadLocal为什么会内存泄漏

ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用来引用它，那么系统 GC 的时候，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value，如果当前线程再迟迟不结束的话，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value永远无法回收，造成内存泄漏。

其实，ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况，也加上了一些防护措施：在ThreadLocal的get(),set(),remove()的时候都会清除线程ThreadLocalMap里所有key为null的value。

但是这些被动的预防措施并不能保证不会内存泄漏：

  • 使用static的ThreadLocal，延长了ThreadLocal的生命周期，可能导致的内存泄漏（参考ThreadLocal 内存泄露的实例分析）。
  • 分配使用了ThreadLocal又不再调用get(),set(),remove()方法，那么就会导致内存泄漏。

为什么使用弱引用

从表面上看内存泄漏的根源在于使用了弱引用。网上的文章大多着重分析ThreadLocal使用了弱引用会导致内存泄漏，但是另一个问题也同样值得思考：为什么使用弱引用而不是强引用？

我们先来看看官方文档的说法：

To help deal with very large and long-lived usages, the hash table entries use WeakReferences for keys.
为了应对非常大和长时间的用途，哈希表使用弱引用的 key。

下面我们分两种情况讨论：

  • key 使用强引用：引用的ThreadLocal的对象被回收了，但是ThreadLocalMap还持有ThreadLocal的强引用，如果没有手动删除，ThreadLocal不会被回收，导致Entry内存泄漏。
  • key 使用弱引用：引用的ThreadLocal的对象被回收了，由于ThreadLocalMap持有ThreadLocal的弱引用，即使没有手动删除，ThreadLocal也会被回收。value在下一次ThreadLocalMap调用set,get，remove的时候会被清除。

比较两种情况，我们可以发现：由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一样长，如果都没有手动删除对应key，都会导致内存泄漏，但是使用弱引用可以多一层保障：弱引用ThreadLocal不会内存泄漏，对应的value在下一次ThreadLocalMap调用set,get,remove的时候会被清除。

因此，ThreadLocal内存泄漏的根源是：由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一样长，如果没有手动删除对应key就会导致内存泄漏，而不是因为弱引用。

ThreadLocal 最佳实践

综合上面的分析，我们可以理解ThreadLocal内存泄漏的前因后果，那么怎么避免内存泄漏呢？

  • 每次使用完ThreadLocal，都调用它的remove()方法，清除数据。

在使用线程池的情况下，没有及时清理ThreadLocal，不仅是内存泄漏的问题，更严重的是可能导致业务逻辑出现问题。所以，使用ThreadLocal就跟加锁完要解锁一样，用完就清理。

 

 

线程不安全：

大家通常知道，ThreadLocal类可以帮助我们实现线程的安全性，这个类能使线程中的某个值与保存值的对象关联起来。ThreadLocal提供了get与set等访问接口或方法，这些方法为每个使用该变量的线程都存有一份独立的副本，因此get总是返回由当前执行线程在调用set时设置的最新值。从概念上看，我们把ThreadLocal<T>理解成一个包含了Map<Thread,T>的对象，其中Map的key用来标识不同的线程，而Map的value存放了特定该线程的某个值。但是ThreadLocal的实现并非如此，我们以这样的理解方式去使用ThreadLocal也并不能实现真正的线程安全。

　　下面我们举一个例子进行说明，Number是拥有一个int型成员变量的类：

ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

public class Number {
    
    private int num;

    public int getNum() {
        return num;
    }

    public void setNum(int num) {
        this.num = num;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Number [num=" + num + "]";
    }
    
}

ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

　　NotSafeThread是一个实现了Runable接口的类，其中我们创建了一个ThreadLocal<Number>类型的变量value，用来存放不同线程的num值，接着我们用线程池的方式启动了5个线程，我们希望使用ThreadLocal类为5个不同的线程都存放一个Number类型的副本，根除对变量的共享，并且在调用ThreadLocal类的get()方法时，返回与线程关联的Number对象，而这些Number对象我们希望它们都能跟踪自己的计数值：

ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

public class NotSafeThread implements Runnable {

    public static Number number = new Number();

    public static int i = 0;

    public void run() {
        //每个线程计数加一
        number.setNum(i++);
　　　　 //将其存储到ThreadLocal中
        value.set(number);
        //输出num值
        System.out.println(value.get().getNum());
    }

    public static ThreadLocal<Number> value = new ThreadLocal<Number>() {
    };

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            newCachedThreadPool.execute(new NotSafeThread());
        }
    }

}

ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

　　启动程序：输出结果

0
1
2
3
4

　　看起来一切正常，每个线程好像都有自己关于Number的存储空间，但是我们简单的在输出前加一个延时：

ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

public class NotSafeThread implements Runnable {

    public static Number number = new Number();

    public static int i = 0;

    public void run() {
        //每个线程计数加一
        number.setNum(i++);
        //将其存储到ThreadLocal中
        value.set(number);
        //延时2秒
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
        }
        //输出num值
        System.out.println(value.get().getNum());
    }

    public static ThreadLocal<Number> value = new ThreadLocal<Number>() {
    };

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            newCachedThreadPool.execute(new NotSafeThread());
        }
    }

}

ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

　　运行程序，输出：

4
4
4
4
4

　　为什么每个线程都输出4？难道他们没有独自保存自己的Number副本吗？为什么其他线程还是能够修改这个值？我们看一下ThreadLocal的源码：

ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

    public void set(Object obj)
    {
        Thread thread = Thread.currentThread();//获取当前线程
        ThreadLocalMap threadlocalmap = getMap(thread);
        if(threadlocalmap != null)
            threadlocalmap.set(this, obj);
        else
            createMap(thread, obj);
    }

ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

　　其中getMap方法:

    ThreadLocal.ThreadLocalMap getMap(Thread thread)
    {
        return thread.inheritableThreadLocals;//返回的是thread的成员变量
    }

　　可以看到，这些特定于线程的值是保存在当前的Thread对象中，并非保存在ThreadLocal对象中。并且我们发现Thread对象中保存的是Object对象的一个引用，这样的话，当有其他线程对这个引用指向的对象做修改时，当前线程Thread对象中保存的值也会发生变化。这也就是为什么上面的程序为什么会输出一样的结果：5个线程中保存的是同一Number对象的引用，在线程睡眠2s的时候，其他线程将num变量进行了修改，因此它们最终输出的结果是相同的。

　　那么，ThreadLocal的“为每个使用该变量的线程都存有一份独立的副本，因此get总是返回由当前执行线程在调用set时设置的最新值。”这句话中的“独立的副本”，也就是我们理解的“线程本地存储”只能是每个线程所独有的对象并且不与其他线程进行共享，大概是这样的情况：

    public static ThreadLocal<Number> value = new ThreadLocal<Number>() {
        public Number initialValue(){//为每个线程保存的值进行初始化操作
            return new Number();
        }
    };

　　或者

    public void run() {
        value.set(new Number());
    }

　　好吧...这个时候估计你会说：那这个ThreadLocal有什么用嘛，每个线程都自己new一个对象使用，只有它自己使用这个对象而不进行共享，那么程序肯定是线程安全的咯。这样看起来我不使用ThreadLocal，在需要用某个对象的时候，直接new一个给本线程使用不就好咯。

　　确实，ThreadLocal的使用不是为了能让多个线程共同使用某一对象，而是我有一个线程A，其中我需要用到某个对象o，这个对象o在这个线程A之内会被多处调用，而我不希望将这个对象o当作参数在多个方法之间传递，于是，我将这个对象o放到TheadLocal中，这样，在这个线程A之内的任何地方，只要线程A之中的方法不修改这个对象o，我都能取到同样的这个变量o。

　　再举一个在实际中应用的例子，例如，我们有一个银行的BankDAO类和一个个人账户的PeopleDAO类，现在需要个人向银行进行转账，在PeopleDAO类中有一个账户减少的方法，BankDAO类中有一个账户增加的方法，那么这两个方法在调用的时候必须使用同一个Connection数据库连接对象，如果他们使用两个Connection对象，则会开启两段事务，可能出现个人账户减少而银行账户未增加的现象。使用同一个Connection对象的话，在应用程序中可能会设置为一个全局的数据库连接对象，从而避免在调用每个方法时都传递一个Connection对象。问题是当我们把Connection对象设置为全局变量时，你不能保证是否有其他线程会将这个Connection对象关闭，这样就会出现线程安全问题。解决办法就是在进行转账操作这个线程中，使用ThreadLocal中获取Connection对象，这样，在调用个人账户减少和银行账户增加的线程中，就能从ThreadLocal中取到同一个Connection对象，并且这个Connection对象为转账操作这个线程独有，不会被其他线程影响，保证了线程安全性。

　　代码如下：

ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

public class ConnectionHolder {
    
    public static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {
    };
    
    public static Connection getConnection(){
        Connection connection = connectionHolder.get();
        if(null == connection){
            connection = DriverManager.getConnection(DB_URL);
            connectionHolder.set(connection);
        }
        return connection;
    }

}

ThreadLocal使用注意：线程不安全，可能会发生内存泄漏

　　在框架中，我们需要将一个事务上下文（Transaction  Context）与某个执行中的线程关联起来。通过将事务上下文保存在静态的ThreaLocal对象中（这个上下文肯定是不与其他线程共享的），可以很容易地实现这个功能：当框架代码需要判断当前运行的是哪一个事务时，只需从这个ThreadLocal对象中读取事务上下文，避免了在调用每个方法时都需要传递执行上下文信息。

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