ThreadLocal到底有没有内存泄漏？从源码角度来剖析一波

该方法也可以初始化一个对象，和构造器也比较接近。

3.3 ThreadLocalMap

3.3.1 主要代码

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的一个内部嵌套类。
由于 ThreadLocal 的主要操作实际都是通过 ThreadLocalMap 的方法实现的，因此先分析 ThreadLocalMap 的主要代码：

public class ThreadLocal<T> {
// 生成 ThreadLocal 的哈希码，用于计算在 Entry 数组中的位置
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }

// ...

static class ThreadLocalMap {

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
            Object value;
            Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
                value = v;
            }
        }

// 初始容量，必须是 2 的次幂
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

// 存储数据的数组
private Entry[] table;

// table 中的 Entry 数量
private int size = 0;

// 扩容的阈值
private int threshold; // Default to 0

// 设置扩容阈值
private void setThreshold(int len) {
            threshold = len * 2 / 3;
        }    

// 第一次添加元素使用的构造器
        ThreadLocalMap(ThreadLocal firstKey, Object firstValue) {
            table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
            table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
            size = 1;
            setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
        }

// ...
    }
}

ThreadLocalMap 的内部结构其实跟 HashMap 很类似，可以对比前面「 JDK源码分析-HashMap(1)
」对 HashMap 的分析。
二者都是「键-值对」构成的数组，对哈希冲突的处理方式不同，导致了它们在结构上产生了一些区别：

1. HashMap 处理哈希冲突使用的「链表法」。也就是当产生冲突时拉出一个链表，而且 JDK 1.8 进一步引入了红黑树进行优化。
2. ThreadLocalMap 则使用了「开放寻址法」中的「线性探测」。即，当某个位置出现冲突时，从当前位置往后查找，直到找到一个空闲位置。

其它部分大体是类似的。

3.3.2 注意事项

• 弱引用

有个值得注意的地方是：ThreadLocalMap 的 Entry 继承了 WeakReference 类，也就是弱引用类型。
跟进 Entry 的父类，可以看到 ThreadLocal 最终赋值给了 WeakReference 的父类 Reference 的 referent 属性。即，可以认为 Entry 持有了两个对象的引用：ThreadLocal 类型的「弱引用」和 Object 类型的「强引用」，其中 ThreadLocal 为 key，Object 为 value。如图所示：

ThreadLocal 在某些情况可能产生的「内存泄漏」就跟这个「弱引用」有关，后面再展开分析。

• 寻址

Entry 的 key 是 ThreadLocal 类型的，它是如何在数组中散列的呢？

ThreadLocal 有个 threadLocalHashCode 变量，每次创建 ThreadLocal 对象时，这个变量都会增加一个固定的值 HASH_INCREMENT
，即 0x61c88647，这个数字似乎跟黄金分割、斐波那契数有关，但这不是重点，有兴趣的朋友可以去深入研究下，这里我们知道它的目的就行了。与 HashMap 的 hash 算法的目的近似，就是为了散列的更均匀。
下面分析 ThreadLocal 的主要方法实现。

3.4 主要方法

ThreadLocal 主要有三个方法：set、get 和 remove，下面分别介绍。

3.4.1 set 方法

• set 方法：新增/更新 Entry

public void set(T value) {
// 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
// 从 Thread 中获取 ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null)
        map.set(this, value);
else
        createMap(t, value);
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}

threadLocals 是 Thread 持有的一个 ThreadLocalMap 引用，默认是 null：

public class Thread implements Runnable {
// 其他代码...
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

• 执行流程

若从当前 Thread 拿到的 ThreadLocalMap 为空，表示该属性并未初始化，执行 createMap 初始化：

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

若已存在，则调用 ThreadLocalMap 的 set 方法：

private void set(ThreadLocal key, Object value) {    
    Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 1. 计算 key 在数组中的下标 i
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

// 1.1 若数组下标为 i 的位置有元素
// 判断 i 位置的 Entry 是否为空；不为空则从 i 开始向后遍历数组
for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal k = e.get();

// 索引为 i 的元素就是要查找的元素，用新值覆盖旧值，到此返回
if (k == key) {
            e.value = value;
return;
        }

// 索引为 i 的元素并非要查找的元素，且该位置中 Entry 的 Key 已经是 null
// Key 为 null 表明该 Entry 已经过期了，此时用新值来替换这个位置的过期值
if (k == null) {
// 替换过期的 Entry，
            replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
        }
    }

// 1.2 若数组下标为 i 的位置为空，将要存储的元素放到 i 的位置
    tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
// 若未清理过期的 Entry，且数组的大小达到阈值，执行 rehash 操作
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

先总结下 set 方法主要流程：
首先根据 key 的 threadLocalHashCode 计算它的数组下标：

1. 如果数组下标的 Entry 不为空，表示该位置已经有元素。由于可能存在哈希冲突，因此这个位置的元素可能并不是要找的元素，所以遍历数组去比较
1. 如果找到等于当前 key 的 Entry，则用新值替换旧值，返回。
2. 如果遍历过程中，遇到 Entry 不为空、但是 Entry 的 key 为空的情况，则会做一些清理工作。
2. 如果数组下标的 Entry 为空，直接将元素放到这里，必要时进行扩容。

• replaceStaleEntry：替换过期的值，并清理一些过期的 Entry

private void replaceStaleEntry(ThreadLocal key, Object value,
int staleSlot) {
    Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
    Entry e;

// 从 staleSlot 开始向前遍历，若遇到过期的槽（Entry 的 key 为空），更新 slotToExpunge
// 直到 Entry 为空停止遍历
int slotToExpunge = staleSlot;
for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = prevIndex(i, len))
if (e.get() == null)
            slotToExpunge = i;

// 从 staleSlot 开始向后遍历，若遇到与当前 key 相等的 Entry，更新旧值，并将二者换位置
// 目的是把它放到「应该」在的位置
for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = nextIndex(i, len)) {
        ThreadLocal k = e.get();

if (k == key) {
// 更新旧值
            e.value = value;

// 换位置
            tab[i] = tab[staleSlot];
            tab[staleSlot] = e;

// Start expunge at preceding stale entry if it exists
if (slotToExpunge == staleSlot)
                slotToExpunge = i;
            cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
return;
        }

if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
            slotToExpunge = i;
    }

// If key not found, put new entry in stale slot
// 若未找到 key，说明 Entry 此前并不存在，新增
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = new Entry(key, value);

// If there are any other stale entries in run, expunge them
if (slotToExpunge != staleSlot)
        cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}

replaceStaleEntry 的主要执行流程如下：

1. 从 staleSlot 向前遍历数组，直到 Entry 为空时停止遍历。这一步的主要目的是查找 staleSlot 前面过期的 Entry 的数组下标 slotToExpunge。
2. 从 staleSlot 向后遍历数组
1. 若 Entry 的 key 与给定的 key 相等，将该 Entry 与 staleSlot 下标的 Entry 互换位置。目的是为了让新增的 Entry 放到它「应该」在的位置。
2. 若找不到相等的 key，说明该 key 对应的 Entry 不在数组中，将新值放到 staleSlot 位置。该操作其实就是处理哈希冲突的「线性探测」方法：当某个位置已被占用，向后探测下一个位置。
3. 若 staleSlot 前面存在过期的 Entry，则执行清理操作。

PS: 所谓 Entry「应该」在的位置，就是根据 key 的 threadLocalHashCode 与数组长度取余计算出来的位置，即 k.threadLocalHashCode & (len - 1)
，或者哈希冲突之后的位置，这里只是为了方便描述。

• expungeStaleEntry：清理过期的 Entry

// staleSlot 表示过期的槽位（即 Entry 数组的下标）
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
    Entry[] tab = table;
int len = tab.length;

// 1. 将给定位置的 Entry 置为 null
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = null;
    size--;

// Rehash until we encounter null
    Entry e;
int i;
// 遍历数组
for (i = nextIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = nextIndex(i, len)) {
// 获取 Entry 的 key
        ThreadLocal k = e.get();
if (k == null) {
// 若 key 为 null，表示 Entry 过期，将 Entry 置空
            e.value = null;
            tab[i] = null;
            size--;
        } else {
// key 不为空，表示 Entry 未过期
// 计算 key 的位置，若 Entry 不在它「应该」在的位置，把它移到「应该」在的位置
int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
if (h != i) {
                tab[i] = null;
// Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
// null because multiple entries could have been stale.
while (tab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);
                tab[h] = e;
            }
        }
    }
return i;
}

该方法主要做了哪些工作呢？

1. 清空给定位置的 Entry
2. 从给定位置的下一个开始向后遍历数组
1. 若遇到 Entry 为 null，结束遍历
2. 若遇到 key 为空的 Entry（即过期的），就将该 Entry 置空
3. 若遇到 key 不为空的 Entry，而且经过计算，该 Entry 并不在它「应该」在的位置，则将其移动到它「应该」在的位置
3. 返回 staleSlot 后面的、Entry 为 null 的索引下标

• cleanSomeSlots：清理一些槽（Slot）

private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
boolean removed = false;
    Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
do {
        i = nextIndex(i, len);
        Entry e = tab[i];
// Entry 不为空、key 为空，即 Entry 过期
if (e != null && e.get() == null) {
            n = len;
            removed = true;
// 清理 i 后面连续过期的 Entry，直到 Entry 为 null，返回该 Entry 的下标
            i = expungeStaleEntry(i);
        }
    } while ( (n >>>= 1) != 0);
return removed;
}

该方法做了什么呢？从给定位置的下一个开始扫描数组，若遇到 key 为空的 Entry（过期的），则清理该位置及其后面过期的槽。
值得注意的是，该方法循环执行的次数为 log(n)。由于该方法是在 set 方法内部被调用的，也就是新增/更新时：

1. 如果不扫描和清理，set 方法执行速度很快，但是会存在一些垃圾（过期的 Entry）；
2. 如果每次都扫描清理，不会存在垃圾，但是插入性能会降低到 O(n)。

因此，这个次数其实就一种平衡策略：Entry 数组较小时，就少清理几次；数组较大时，就多清理几次。

• rehash：调整 Entry 数组

private void rehash() {
// 清理数组中过期的 Entry
    expungeStaleEntries();
// Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
if (size >= threshold - threshold / 4)
        resize();
}

// 从头开始清理整个 Entry 数组
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);
    }
}

该方法主要作用：

1. 清理数组中过期的 Entry
2. 若清理后 Entry 的数量大于等于 threshold 的 3/4，则执行 resize 方法进行扩容

• resize 方法：Entry 数组扩容

/**
 * Double the capacity of the table.
 */
private void resize() {
    Entry[] oldTab = table;
int oldLen = oldTab.length;
int newLen = oldLen * 2; // 新长度为旧长度的两倍
    Entry[] newTab = new Entry[newLen];
int count = 0;

// 遍历旧的 Entry 数组，将数组中的值移到新数组中
for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
        Entry e = oldTab[j];
if (e != null) {
            ThreadLocal k = e.get();
// 若 Entry 的 key 已过期，则将 Entry 清理掉
if (k == null) {
                e.value = null; // Help the GC
            } else {
// 计算在新数组中的位置
int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
// 哈希冲突，线性探测下一个位置
while (newTab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, newLen);
                newTab[h] = e;
                count++;
            }
        }
    }

// 设置新的阈值
    setThreshold(newLen);
    size = count;
    table = newTab;
}

该方法的作用是 Entry 数组扩容，主要流程：

1. 创建一个新数组，长度为原数组的 2 倍；
2. 从下标 0 开始遍历旧数组的所有元素
1. 若元素已过期（key 为空），则将 value 也置空
2. 将未过期的元素移到新数组

3.4.2 get 方法

分析完了 set 方法，再看 get 方法就相对容易了不少。

• get 方法：获取 ThreadLocal 对应的 Entry

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();
}

get 方法首先获取当前线程的 ThreadLocalMap 并判断：

1. 若 Map 已存在，从 Map 中取值
2. 若 Map 不存在，或者 Map 中获取的值为空，执行 setInitialValue 方法

• setInitialValue 方法：获取/设置初始值

private T setInitialValue() {
// 获取初始值
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
        map.set(this, value);
else
        createMap(t, value);
return value;
}

protected T initialValue() {
return null;
}

先取初始值，这个初始值默认为空（该方法是 protected，可以由子类初始化）。

1. 若 Thread 的 ThreadLocalMap 已初始化，则将初始值存入 Map
2. 否则，创建 ThreadLocalMap
3. 返回初始值

除了初始值，其他逻辑跟 set 方法是一样的，这里不再赘述。
PS: 可以看到初始值是惰性初始化的。

• getEntry：从 Entry 数组中获取给定 key 对应的 Entry

private Entry getEntry(ThreadLocal key) {
// 计算下标
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
// 查找命中
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

// key 未命中
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal key, int i, Entry e) {
    Entry[] tab = table;
int len = tab.length;

// 遍历数组
while (e != null) {
        ThreadLocal k = e.get();
if (k == key)
return e; // 是要找的 key，返回
if (k == null)
            expungeStaleEntry(i); // Entry 已过期，清理 Entry
else
            i = nextIndex(i, len); // 向后遍历
        e = tab[i];
    }
return null;
}

3.4.3 remove 方法

• remove 方法：移除 ThreadLocal 对应的 Entry

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
        m.remove(this);
}

这里调用了 ThreadLocalMap 的 remove 方法：

private void remove(ThreadLocal key) {
    Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
if (e.get() == key) {
            e.clear();
            expungeStaleEntry(i);
return;
        }
    }
}

其中 e.clear 调用的是 Entry 的父类 Reference 的 clear 方法：

public void clear() {
this.referent = null;
}

其实就是将 Entry 的 key 置空。
remove 方法的主要执行流程如下：

1. 获取当前线程的 ThreadLocalMap
2. 以当前 ThreadLocal 做为 key，从 Map 中查找相应的 Entry，将 Entry 的 key 置空
3. 将该 ThreadLocal 对应的 Entry 置空，并向后遍历清理 Entry 数组，也就是 expungeStaleEntry 方法的操作，前面已经分析过了，这里不再赘述。

3.4.4 主要方法小结

4. 内存泄漏分析

首先说明一点，ThreadLocal 通常作为成员变量或静态变量来使用（也就是共享的），比如前面应用场景中的例子。因为局部变量已经在同一条线程内部了，没必要使用 ThreadLocal。
为便于理解，这里先给出了 Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap、Entry 这几个类在 JVM 的内存示意图：

简单说明：

• 当一个线程运行时，栈中存在当前 Thread 的栈帧，它持有 ThreadLocalMap 的强引用。
• ThreadLocal 所在的类持有一个 ThreadLocal 的强引用；同时，ThreadLocalMap 中的 Entry 持有一个 ThreadLocal 的弱引用。

4.1 场景一

若方法执行完毕、线程正常消亡，则 Thread 的 ThreadLocalMap 引用将断开，如图：

以后 GC 发生时，弱引用也会断开，整个 ThreadLocalMap 都会被回收掉，不存在内存泄漏。

4.2 场景二

如果是线程池中的线程呢？也就是线程一直存活。经过 GC 后 Entry 持有的 ThreadLocal 引用断开，Entry 的 key 为空，value 不为空，如图所示：

此时，如果没有任何 remove 或者 get 等清理 Entry 数组的动作，那么该 Entry 的 value 持有的 Object 就不会被回收掉。这样就产生了内存泄漏。
这种情况其实也很容易避免，使用完执行 remove 方法就行了。

5. 小结

本文分析了 ThreadLocal 的主要方法实现，并分析了它可能存在内存泄漏的场景。

1. ThreadLocal 主要用于当前线程从共享变量中保存一份「副本」，常用的一个场景就是单点登录保存用户的登录信息。
2. ThreadLocal 将数据存储在 ThreadLocalMap 中，ThreadLocalMap 是由 Entry 构成的数组，结构有点类似 HashMap。
3. ThreadLocal 使用不当可能会造成内存泄漏。避免内存泄漏的方法是在方法调用结束前执行 ThreadLocal 的 remove 方法。

本文内容就到这里，若有不正之处欢迎指正，觉得有所收获欢迎三连支持~