公司新來的小可愛，竟然把內(nèi)存搞崩了！
ThreadLocal使用不規(guī)范，師傅兩行淚
組內(nèi)來了一個(gè)實(shí)習(xí)生，看這小伙子春光滿面、精神抖擻、頭發(fā)微少，我心頭一喜：絕對是個(gè)潛力股。于是我找經(jīng)理申請親自來帶他，為了幫助小伙子快速成長，我給他分了一個(gè)需求，這不需求剛上線幾天就出網(wǎng)上問題了??后臺監(jiān)控服務(wù)發(fā)現(xiàn)內(nèi)存一直在緩慢上升，初步懷疑是內(nèi)存泄露。
把實(shí)習(xí)生的PR都找出來仔細(xì)review，果然發(fā)現(xiàn)問題了。由于公司內(nèi)部代碼是保密的，這里簡單寫一個(gè)demo還原場景（忽略代碼風(fēng)格問題）。
public class ThreadPoolDemo {
private static final ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 1, TimeUnit.MINUTES, new LinkedBlockingQueue<>());
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
poolExecutor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
ThreadLocal<BigObject> threadLocal = new ThreadLocal<>();
threadLocal.set(new BigObject());
// 其他業(yè)務(wù)代碼
}
});
Thread.sleep(1000);
}
}
static class BigObject {
// 100M
private byte[] bytes = new byte[100 * 1024 * 1024];
}
}
代碼分析：
創(chuàng)建一個(gè)核心線程數(shù)和最大線程數(shù)都為10的線程池，保證線程池里一直會有10個(gè)線程在運(yùn)行。 使用for循環(huán)向線程池中提交了100個(gè)任務(wù)。 定義了一個(gè)ThreadLocal類型的變量，Value類型是大對象。 每個(gè)任務(wù)會向threadLocal變量里塞一個(gè)大對象，然后執(zhí)行其他業(yè)務(wù)邏輯。 由于沒有調(diào)用線程池的shutdown方法，線程池里的線程還是會在運(yùn)行。
乍一看這代碼好像沒有什么問題，那為什么會導(dǎo)致服務(wù)GC后內(nèi)存還高居不下呢？
代碼中給threadLocal賦值了一個(gè)大的對象，但是執(zhí)行完業(yè)務(wù)邏輯后沒有調(diào)用remove方法，最后導(dǎo)致線程池中10個(gè)線程的threadLocals變量中包含的大對象沒有被釋放掉，出現(xiàn)了內(nèi)存泄露。
大家說說這樣的實(shí)習(xí)生還能留不？
ThreadLocal的value值存在哪里？
實(shí)習(xí)生說他以為線程任務(wù)結(jié)束了threadLocal賦值的對象會被JVM垃圾回收，很疑惑為什么會出現(xiàn)內(nèi)存泄露。作為師傅我肯定要給他把原理講透呀。
ThreadLocal類提供set/get方法存儲和獲取value值，但實(shí)際上ThreadLocal類并不存儲value值，真正存儲是靠ThreadLocalMap這個(gè)類，ThreadLocalMap是ThreadLocal的一個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類，它的key是ThreadLocal實(shí)例對象，value是任意Object對象。
ThreadLocalMap類的定義
static class ThreadLocalMap {
// 定義一個(gè)table數(shù)組，存儲多個(gè)threadLocal對象及其value值
private Entry[] table;
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);
}
// 定義一個(gè)Entry類，key是一個(gè)弱引用的ThreadLocal對象
// value是任意對象
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
// 省略其他
}
進(jìn)一步分析ThreadLocal類的代碼，看set和get方法如何與ThreadLocalMap靜態(tài)內(nèi)部類關(guān)聯(lián)上。
ThreadLocal類set方法
public class ThreadLocal<T> {
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
// 省略其他方法
}
set的邏輯比較簡單，就是獲取當(dāng)前線程的ThreadLocalMap，然后往map里添加KV，K是當(dāng)前ThreadLocal實(shí)例，V是我們傳入的value。這里需要注意一下，map的獲取是需要從Thread類對象里面取，看一下Thread類的定義。
public class Thread implements Runnable {
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
//省略其他
}
Thread類維護(hù)了一個(gè)ThreadLocalMap的變量引用。
ThreadLocal類get方法
get獲取當(dāng)前線程的對應(yīng)的私有變量，是之前set或者通過initialValue的值，代碼如下：
class ThreadLocal<T> {
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null)
return (T)e.value;
}
return setInitialValue();
}
}
代碼邏輯分析：
獲取當(dāng)前線程的ThreadLocalMap實(shí)例； 如果不為空，以當(dāng)前ThreadLocal實(shí)例為key獲取value； 如果ThreadLocalMap為空或者根據(jù)當(dāng)前ThreadLocal實(shí)例獲取的value為空，則執(zhí)行setInitialValue()；
ThreadLocal相關(guān)類的關(guān)系總結(jié)
看了上面的分析是不是對Thread，ThreadLocal，ThreadLocalMap，Entry這幾個(gè)類之間的關(guān)系有點(diǎn)暈了，沒關(guān)系我專門畫了一個(gè)UML類圖來總結(jié)（忽略UML標(biāo)準(zhǔn)語法）。
每個(gè)線程是一個(gè)Thread實(shí)例，其內(nèi)部維護(hù)一個(gè)threadLocals的實(shí)例成員，其類型是ThreadLocal.ThreadLocalMap。 通過實(shí)例化ThreadLocal實(shí)例，我們可以對當(dāng)前運(yùn)行的線程設(shè)置一些線程私有的變量，通過調(diào)用ThreadLocal的set和get方法存取。 ThreadLocal本身并不是一個(gè)容器，我們存取的value實(shí)際上存儲在ThreadLocalMap中，ThreadLocal只是作為TheadLocalMap的key。 每個(gè)線程實(shí)例都對應(yīng)一個(gè)TheadLocalMap實(shí)例，我們可以在同一個(gè)線程里實(shí)例化很多個(gè)ThreadLocal來存儲很多種類型的值，這些ThreadLocal實(shí)例分別作為key，對應(yīng)各自的value，最終存儲在Entry table數(shù)組中。 當(dāng)調(diào)用ThreadLocal的set/get進(jìn)行賦值/取值操作時(shí)，首先獲取當(dāng)前線程的ThreadLocalMap實(shí)例，然后就像操作一個(gè)普通的map一樣，進(jìn)行put和get。
ThreadLocal內(nèi)存模型原理
經(jīng)過上面的分析我們對ThreadLocal相關(guān)的類設(shè)計(jì)已經(jīng)非常清楚了，下面通過一張圖更加深入理解一下ThreadLocal的內(nèi)存存儲。
圖中左邊是棧，右邊是堆。線程的一些局部變量和引用使用的內(nèi)存屬于Stack（棧）區(qū)，而普通的對象是存儲在Heap（堆）區(qū)。
線程運(yùn)行時(shí)，我們定義的TheadLocal對象被初始化，存儲在Heap，同時(shí)線程運(yùn)行的棧區(qū)保存了指向該實(shí)例的引用，也就是圖中的ThreadLocalRef。 當(dāng)ThreadLocal的set/get被調(diào)用時(shí)，虛擬機(jī)會根據(jù)當(dāng)前線程的引用也就是CurrentThreadRef找到其對應(yīng)在堆區(qū)的實(shí)例，然后查看其對用的TheadLocalMap實(shí)例是否被創(chuàng)建，如果沒有，則創(chuàng)建并初始化。 Map實(shí)例化之后，也就拿到了該ThreadLocalMap的句柄，那么就可以將當(dāng)前ThreadLocal對象作為key，進(jìn)行存取操作。 圖中的虛線，表示key對應(yīng)ThreadLocal實(shí)例的引用是個(gè)弱引用。
強(qiáng)引用弱引用的概念
ThreadLocalMap的key是一個(gè)弱引用類型，源代碼如下：
static class ThreadLocalMap {
// 定義一個(gè)Entry類，key是一個(gè)弱引用的ThreadLocal對象
// value是任意對象
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
// 省略其他
}
下面解釋一下常見的幾種引用概念。
強(qiáng)引用
一直活著：類似“Object obj=new Object()”這類的引用，只要強(qiáng)引用還存在，垃圾收集器永遠(yuǎn)不會回收掉被引用的對象實(shí)例。
弱引用
回收就會死亡：被弱引用關(guān)聯(lián)的對象實(shí)例只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生之前。當(dāng)垃圾收集器工作時(shí)，無論當(dāng)前內(nèi)存是否足夠，都會回收掉只被弱引用關(guān)聯(lián)的對象實(shí)例。在JDK 1.2之后，提供了WeakReference類來實(shí)現(xiàn)弱引用。
軟引用
有一次活的機(jī)會：軟引用關(guān)聯(lián)著的對象，在系統(tǒng)將要發(fā)生內(nèi)存溢出異常之前，將會把這些對象實(shí)例列進(jìn)回收范圍之中進(jìn)行第二次回收。如果這次回收還沒有足夠的內(nèi)存，才會拋出內(nèi)存溢出異常。在JDK 1.2之后，提供了SoftReference類來實(shí)現(xiàn)軟引用。
虛引用
也稱為幽靈引用或者幻影引用，它是最弱的一種引用關(guān)系。一個(gè)對象實(shí)例是否有虛引用的存在，完全不會對其生存時(shí)間構(gòu)成影響，也無法通過虛引用來取得一個(gè)對象實(shí)例。為一個(gè)對象設(shè)置虛引用關(guān)聯(lián)的唯一目的就是能在這個(gè)對象實(shí)例被收集器回收時(shí)收到一個(gè)系統(tǒng)通知。在JDK 1.2之后，提供了PhantomReference類來實(shí)現(xiàn)虛引用。
內(nèi)存泄露是不是弱引用的鍋？
從表面上看內(nèi)存泄漏的根源在于使用了弱引用，但是另一個(gè)問題也同樣值得思考：為什么ThreadLocalMap使用弱引用而不是強(qiáng)引用？
翻看官網(wǎng)文檔的說法：
To help deal with very large and long-lived usages, the hash table entries use WeakReferences for keys.
為了處理非常大和長期的用途，哈希表?xiàng)l目使用weakreference作為鍵。
分兩種情況討論：
（1）key 使用強(qiáng)引用
引用ThreadLocal的對象被回收了，但是ThreadLocalMap還持有ThreadLocal的強(qiáng)引用，如果沒有手動刪除，ThreadLocal不會被回收，導(dǎo)致Entry內(nèi)存泄漏。
（2）key 使用弱引
引用ThreadLocal的對象被回收了，由于ThreadLocalMap持有ThreadLocal的弱引用，即使沒有手動刪除，ThreadLocal也會被回收。value在下一次ThreadLocalMap調(diào)用set、get、remove的時(shí)候會被清除。
比較兩種情況，我們可以發(fā)現(xiàn)：由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一樣長，如果都沒有手動刪除對應(yīng)key，都會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，但是使用弱引用可以多一層保障：弱引用ThreadLocal被清理后key為null，對應(yīng)的value在下一次ThreadLocalMap調(diào)用set、get、remove的時(shí)候可能會被清除。
因此，ThreadLocal內(nèi)存泄漏的根源是：由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一樣長，如果沒有手動刪除對應(yīng)key就會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，而不是因?yàn)槿跻谩?/p>
ThreadLocal最佳實(shí)踐
通過前面幾小節(jié)我們分析了ThreadLocal的類設(shè)計(jì)以及內(nèi)存模型，同時(shí)也重點(diǎn)分析了發(fā)生內(nèi)存泄露的條件和特定場景。最后結(jié)合項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)給出建議使用ThreadLocal的場景：
當(dāng)需要存儲線程私有變量的時(shí)候。 當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)線程安全的變量時(shí)。 當(dāng)需要減少線程資源競爭的時(shí)候。
綜合上面的分析，我們可以理解ThreadLocal內(nèi)存泄漏的前因后果，那么怎么避免內(nèi)存泄漏呢？
答案就是：每次使用完ThreadLocal，建議調(diào)用它的remove()方法，清除數(shù)據(jù)。
另外需要強(qiáng)調(diào)的是并不是所有使用ThreadLocal的地方，都要在最后remove（），因?yàn)樗麄兊纳芷诳赡苁切枰晚?xiàng)目的生存周期一樣長的，所以要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇，以免出現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯錯(cuò)誤！