面试官：ThreadLocal的应用场景和注意事项有哪些？

前言

ThreadLocal主要有如下2个作用

1. 保证线程安全
2. 在线程级别传递变量

保证线程安全

最近一个小伙伴把项目中封装的日期 工具 类用在多线程环境下居然出了问题，来看看怎么回事吧

日期转换的一个工具类

public class DateUtil {

    private static final SimpleDateFormat sdf = 
            new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    public static Date parse(String dateStr) {
        Date date = null;
        try {
            date = sdf.parse(dateStr);
        } catch (ParseException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return date;
    }
}

然后将这个工具类用在多线程环境下

public static void main(String[] args) {

    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(20);

    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        service.execute(()->{
            System.out.println(DateUtil.parse("2019-06-01 16:34:30"));
        });
    }
    service.shutdown();
}

结果报异常了，因为部分线程获取的时间不对 这个异常就不从源码的角度分析了，写一个小Demo，理解了这个小Demo，就理解了原因

一个将数字加10的工具类

public class NumUtil {

    public static int addNum = 0;

    public static int add10(int num) {
        addNum = num;
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return addNum + 10;
    }
}

public static void main(String[] args) {

	ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(20);

	for (int i = 0; i < 20; i++) {
		int num = i;
		service.execute(()->{
			System.out.println(num + " " +  NumUtil.add10(num));
		});
	}
	service.shutdown();
}

然后代码的一部分输出为

什么鬼，不是加10么，怎么都输出了28？这主要是因为线程切换的原因，线程陆续将addNum值设置为0 ，3，7但是都没有执行完（没有执行到return addNum+10这一步）就被切换了，当其中一个线程将addNum值设置为18时，线程陆续开始执行addNum+10这一步，结果都输出了28。SimpleDateFormat的原因和这个类似，那么我们如何解决这个问题呢？

解决方案

解决方案1：每次来都new新的，空间浪费比较大

public class DateUtil {

    public static Date parse(String dateStr) {
        SimpleDateFormat sdf =
                new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        Date date = null;
        try {
            date = sdf.parse(dateStr);
        } catch (ParseException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return date;
    }
}

解决方案2：方法用synchronized修饰，并发上不来

public class DateUtil {

    private static final SimpleDateFormat sdf =
            new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    public static synchronized Date parse(String dateStr) {
        Date date = null;
        try {
            date = sdf.parse(dateStr);
        } catch (ParseException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return date;
    }
}

解决方案3：用jdk1.8中的日期格式类DateFormatter，DateTimeFormatter

public class DateUtil {

    private static DateTimeFormatter formatter = 
            DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    public static LocalDateTime parse(String dateStr) {
        return LocalDateTime.parse(dateStr, formatter);
    }
}

解决方案4：用ThreadLocal，一个线程一个SimpleDateFormat对象

public class DateUtil {

    private static ThreadLocal<DateFormat> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(
            ()-> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));

    public static Date parse(String dateStr) {
        Date date = null;
        try {
            date = threadLocal.get().parse(dateStr);
        } catch (ParseException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return date;
    }
}

上面的加10的工具类可以改成如下形式（主要为了演示ThreadLocal的使用）

public class NumUtil {

    private static ThreadLocal<Integer> addNumThreadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static int add10(int num) {
        addNumThreadLocal.set(num);
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return addNumThreadLocal.get() + 10;
    }
}

现在2个工具类都能正常使用了，这是为啥呢？

原理分析

当多个线程同时读写同一共享变量时存在并发问题，如果不共享不就没有并发问题了，一个线程存一个自己的变量，类比原来好几个人玩同一个球，现在一个人一个球，就没有问题了，如何把变量存在线程上呢？其实Thread类内部已经有一个Map容器用来存变量了。它的大概结构如下所示

ThreadLocalMap是一个Map，key是ThreadLocal，value是Object

映射到源码就是如下所示：

ThreadLocalMap是ThreadLocal的一个静态内部类

public class Thread implements Runnable {
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

往ThreadLocalMap里面放值

// ThreadLocal类里面的方法，将源码整合了一下
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = t.threadLocals;
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
		t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

从ThreadLocalMap里面取值

// ThreadLocal类里面的方法，将源码整合了一下
public T get() {
	Thread t = Thread.currentThread();
	ThreadLocalMap map = t.threadLocals；
	if (map != null) {
		ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
		if (e != null) {
			@SuppressWarnings("unchecked")
			T result = (T)e.value;
			return result;
		}
	}
	return setInitialValue();
}

从ThreadLocalMap里面删除值

// ThreadLocal类里面的方法，将源码整合了一下
public void remove() {
	ThreadLocalMap m = Thread.currentThread().threadLocals;
	if (m != null)
		m.remove(this);
}

执行如下代码

public class InfoUtil {

    private static ThreadLocal<String> nameInfo = new ThreadLocal<>();
    private static ThreadLocal<Integer> ageInfo = new ThreadLocal<>();

    public static void setInfo(String name, Integer age) {
        nameInfo.set(name);
        ageInfo.set(age);
    }

    public static String getName() {
        return nameInfo.get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            InfoUtil.setInfo("张三", 10);
            // 张三
            System.out.println(InfoUtil.getName());
        }, "thread1").start();
        new Thread(() -> {
            InfoUtil.setInfo("李四", 20);
            // 李四
            System.out.println(InfoUtil.getName());
        }, "thread2").start();
    }
}

变量的结构如下图

在线程级别传递变量

假设有如下一个场景，method1()调用method2()，method2()调用method3()，method3()调用method4()，method1()生成了一个变量想在method4()中使用，有如下2种解决办法

1. method 2 3 4的参数列表上都写上method4想要的变量
2. method 1 往ThreadLocal中put一个值，method4从ThreadLocal中get出来

哪种实现方式比较优雅呢？相信我不说你也能明白了

我在生产环境中一般是这样用的，如果一个请求在系统中的处理流程比较长，可以对请求的日志打一个相同的前缀，这样比较方便处理问题

这个前缀的生成和移除可以配置在拦截器中，切面中，当然也可以在一个方法的前后

public class Main {

    public static final ThreadLocal<String> SPANID =
            ThreadLocal.withInitial(() -> UUID.randomUUID().toString());

    public static void start() {
        SPANID.set(UUID.randomUUID().toString());
        // 方法调用过程中可以在日志中打印SPANID表明一个请求的执行链路
        SPANID.remove();
    }
}

当然Spring Cloud已经有现成的链路追踪组件了。

ThreadLocal使用注意事项

ThreadLocal如果使用不当会造成如下问题

1. 脏数据
2. 内存泄露

脏数据

线程复用会造成脏数据。由于线程池会复用Thread对象，因此Thread类的成员变量threadLocals也会被复用。如果在线程的run()方法中不显示调用remove()清理与线程相关的ThreadLocal信息，并且下一个线程不调用set()设置初始值，就可能get()到上个线程设置的值

内存泄露

static class ThreadLocalMap {

	static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
		Object value;

		Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
			super(k);
			value = v;
		}
	}
}

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

大白话一点，ThreadLocalMap的key是弱引用，GC时会被回收掉，那么就有可能存在ThreadLocalMap<null, Object>的情况，这个Object就是泄露的对象

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

解决办法

解决以上两个问题的办法很简单，就是在每次用完ThreadLocal后，及时调用remove()方法清理即可

欢迎关注

参考博客

神奇的ThreadLocal

[1] https://mp.weixin.qq.com/s/kuTspYfMkDK4AjlETifujg

还在使用SimpleDateFormat？你的项目崩没？

ThreadLocal为什么会内存泄漏

[2] https://blog.xiaohansong.com/ThreadLocal-memory-leak.html

[3] https://zhangzw.com/posts/20190503.html