1.通过transmittable-thread-local源码理解线程池线程本地变量传递的源码原理
2.Netty源码解析 -- FastThreadLocal与HashedWheelTimer
3.ThreadLocal及弱引用
4.InheritableThreadLocal源码剖析
5.ThreadLocal面试题自己整理
6.一文读懂ThreadLocal的原理及使用场景

通过transmittable-thread-local源码理解线程池线程本地变量传递的原理

       最近几周，我投入了大量的源码时间和精力，完成了UCloud服务和中间件迁移至阿里云的源码工作，因此没有空闲时间撰写文章。源码不过，源码回忆起很早之前对ThreadLocal源码的源码荣昌源码开发分析，其中提到了ThreadLocal存在向预先创建的源码线程中传递变量的局限性。恰好，源码我的源码一位前同事，HSBC的源码技术大牛，提到了团队引入了transmittable-thread-local（TTL）来解决此问题。源码借此机会，源码我深入分析了TTL源码，源码本文将全面分析ThreadLocal和InheritableThreadLocal的源码局限性，并深入探讨TTL整套框架的源码实现。如有对线程池和ThreadLocal不熟悉的读者，建议先阅读相关前置文章，本篇文章行文较为干硬，字数接近5万字，希望读者耐心阅读。

       在Java中，没有直接的API允许子线程获取父线程的实例。获取父线程实例通常需要通过静态本地方法Thread#currentThread()。同样，为了在子线程中传递共享变量，也常采用类似的方法。然而，这种方式会导致硬编码问题，限制了方法的复用性和灵活性。为了解决这一问题，线程本地变量Thread Local应运而生，其基本原理是通过线程实例访问ThreadLocal.ThreadLocalMap来实现变量的存储与传递。

       ThreadLocal与InheritableThreadLocal之间的区别主要在于控制ThreadLocal.ThreadLocalMap的创建时机和线程实例中对应的属性获取方式。通过分析源码，可以清楚地看到它们之间的联系与区别。对于不熟悉概念的读者，可以尝试通过自定义实现来理解其中的原理与关系。

       ThreadLocal和InheritableThreadLocal的最大局限性在于无法为预先创建的线程实例传递变量。泛线程池Executor体系、TimerTask和ForkJoinPool等通常会预先创建线程，asp发布源码因此无法在这些场景中使用ThreadLocal和InheritableThreadLocal来传递变量。

       TTL提供了更灵活的解决方案，它通过委托机制（代理模式）实现了变量的传递。委托可以基于Micrometer统计任务执行时间并上报至Prometheus，然后通过Grafana进行监控展示。此外，TTL通过字节码增强技术（使用ASM或Javassist等工具）实现了类加载时期替换Runnable、Callable等接口的实现，从而实现了无感知的增强功能。TTL还使用了模板方法模式来实现核心逻辑。

       TTL框架的核心类TransmittableThreadLocal继承自InheritableThreadLocal，通过全局静态变量holder来管理所有TransmittableThreadLocal实例。holder实际上是一个InheritableThreadLocal，用于存储所有线程本地变量的映射，实现变量的全局共享。disableIgnoreNullValueSemantics属性的设置可以影响NULL值的处理方式，影响TTL实例的行为。

       发射器Transmitter是TransmittableThreadLocal的一个公有静态类，提供传输TransmittableThreadLocal实例和注册当前线程变量至其他线程的功能。通过Transmitter的静态方法，可以实现捕获、重放和复原线程本地变量的功能。

       TTL通过TtlRunnable类实现了任务的封装，确保在执行任务时能够捕获和传递线程本地变量。在任务执行前后，通过capture和restore方法捕获和重放变量，实现异步执行时上下文的传递。

       启用TTL的Agent模块需要通过Java启动参数添加javaagent来激活字节码增强功能。TTL通过Instrumentation回调激发ClassFileTransformer，实现目标类的字节码增强，从而在执行任务时自动完成上下文的捕捉和传递。

       TTL框架提供了一种高效、灵活的方式来解决线程池中线程复用时上下文传递的问题。通过委托机制和字节码增强技术，TTL实现了无入侵地提供线程本地变量传递功能。如果您在业务代码中遇到异步执行时上下文传递的问题，TTL库是一个值得考虑的解决方案。

Netty源码解析 -- FastThreadLocal与HashedWheelTimer

       Netty源码分析系列文章接近尾声，本文深入解析FastThreadLocal与HashedWheelTimer。九二一源码网基于Netty 4.1.版本。

       FastThreadLocal简介：

       FastThreadLocal与FastThreadLocalThread协同工作。FastThreadLocalThread继承自Thread类，内部封装一个InternalThreadLocalMap，该map只能用于当前线程，存放了所有FastThreadLocal对应的值。每个FastThreadLocal拥有一个index，用于定位InternalThreadLocalMap中的值。获取值时，首先检查当前线程是否为FastThreadLocalThread，如果不是，则从UnpaddedInternalThreadLocalMap.slowThreadLocalMap获取InternalThreadLocalMap，这实际上回退到使用ThreadLocal。

       FastThreadLocal获取值步骤：

       #1 获取当前线程的InternalThreadLocalMap，如果是FastThreadLocalThread则直接获取，否则通过UnpaddedInternalThreadLocalMap.slowThreadLocalMap获取。

       #2 通过每个FastThreadLocal的index，获取InternalThreadLocalMap中的值。

       #3 若找不到值，则调用initialize方法构建新对象。

       FastThreadLocal特点：

       FastThreadLocal无需使用hash算法，通过下标直接获取值，复杂度为log(1)，性能非常高效。

       HashedWheelTimer介绍：

       HashedWheelTimer是Netty提供的时间轮调度器，用于高效管理各种延时任务。时间轮是一种批量化任务调度模型，能够充分利用线程资源。简单说，就是将任务按照时间间隔存放在环形队列中，执行线程定时执行队列中的任务。

       例如，环形队列有个格子，执行线程每秒移动一个格子，则每轮可存放1分钟内的任务。任务执行逻辑如下：给定两个任务task1（秒后执行）、task2（2分秒后执行），当前执行线程位于第6格子。那么，资源码下载task1将放到+6=格，轮数为0；task2放到+6=格，轮数为2。执行线程将执行当前格子轮数为0的任务，并将其他任务轮数减1。

       HashedWheelTimer的缺点：

       时间轮调度器的时间精度受限于执行线程的移动速度。例如，每秒移动一个格子，则调度精度小于一秒的任务无法准时调用。

       HashedWheelTimer关键字段：

       添加延迟任务时，使用HashedWheelTimer#newTimeout方法，如果HashedWheelTimer未启动，则启动HashedWheelTimer。启动后，构建HashedWheelTimeout并添加到timeouts集合。

       HashedWheelTimer运行流程：

       启动后阻塞HashedWheelTimer线程，直到Worker线程启动完成。计算下一格子开始执行的时间，然后睡眠到下次格子开始执行时间。获取tick对应的格子索引，处理已到期任务，移动到下一个格子。当HashedWheelTimer停止时，取消任务并停止时间轮。

       HashedWheelTimer性能比较：

       HashedWheelTimer新增任务复杂度为O(1)，优于使用堆维护任务的ScheduledExecutorService，适合处理大量任务。然而，当任务较少或无任务时，HashedWheelTimer的执行线程需要不断移动，造成性能消耗。另外，使用同一个线程调用和执行任务，某些任务执行时间过久会影响后续任务执行。为避免这种情况，可在任务中使用额外线程执行逻辑。如果任务过多，可能导致任务长期滞留在timeouts中而不能及时执行。

       本文深入剖析FastThreadLocal与HashedWheelTimer的红名狙源码实现细节，旨在提供全面的技术洞察与实战经验。希望对您理解Netty源码与时间轮调度器有帮助。关注微信公众号，获取更多Netty源码解析与技术分享。

ThreadLocal及弱引用

       Thread中持有一个ThreadLocalMap对象，默认为null；ThreadLocalMap是ThreadLocal的静态内部类，本质上是一个容器，ThreadLocal更像是ThreadLocalMap的工具类，提供了操作ThreadLocalMap的方法，如get()和set()。

       测试代码显示，main线程与Thread-0线程调用set()方法设置不同值，但最终main线程前后打印结果一致，表明两者是线程隔离的，变量相互独立。

       ThreadLocal源码跟踪揭示其核心在于与ThreadLocalMap的交互，重点是get()和set()方法。

       set源码跟踪解析如下：线程创建时，threadLocals为null；调用getMap(currentThread)得到当前线程的threadLocals，若未绑定实例则创建一个，并使Thread中的threadLocals指向新创建的ThreadLocalMap实例。ThreadLocalMap内部为哈希表，大小默认，插入元素时，根据key算出槽位，将键值对插入。

       get源码讨论了未set值的情况：若ThreadLocalMap未初始化，则先调用setInitialValue()初始化，返回null。若已初始化但未得到对应结果，则插入{ this ThreadLocal : initialValue}键值对，返回initialValue。这样下次get时能找到值。

       ThreadLocal与弱引用关系：ThreadLocalMap的key使用弱引用，当执行map.getEntry(threadLocal)或map.getKey(threadLocal)时，会找到对应的键值对。弱引用保证在GC到来时可回收key，但value可能仍存在，直到线程结束。设计中考虑了这种情况，get、set、remove时清除null值。

       弱引用解决内存泄露问题，但在某些情况下可能引起内存泄露。ThreadLocalMap的设计通过清除null值来防止这种情况，确保资源有效管理。

       相关资源提供进一步理解ThreadLocal与弱引用的深入细节。

InheritableThreadLocal源码剖析

       InheritableThreadLocal是Java中用于在多线程环境共享数据的工具，它允许子线程继承父线程的值，从而避免了线程间数据同步的复杂性。与ThreadLocal不同，InheritableThreadLocal实现了数据的继承机制，确保了数据在父线程到子线程间的顺利传递。这使得在使用线程池或其他线程管理技术时，应用程序能够保持数据的一致性和完整性。

       InheritableThreadLocal提供了一种从父线程到子线程的数据传递方式，它通过在Thread类中引入了inheritableThreadLocals字段来实现这一功能。这一字段是一个ThreadLocalMap类型的对象，专门用于存储InheritableThreadLocal实例。这意味着当创建子线程时，它会自动接收并继承父线程的值。

       实现这一特性，InheritableThreadLocal主要通过三个关键方法：set、get、remove。它们与ThreadLocal的同名方法相似，但操作的内部数据结构有所不同。InheritableThreadLocal的set、get、remove方法会通过获取inheritableThreadLocals字段中的ThreadLocalMap对象来进行操作，而ThreadLocal则通过操作threadLocals字段。

       为了验证InheritableThreadLocal的继承机制，可以通过在父线程中设置InheritableThreadLocal的值，然后在子线程中尝试获取该值来观察结果。实验证明，子线程能够成功获取到父线程设置的值，证明了InheritableThreadLocal的继承功能。

       在使用InheritableThreadLocal时，需要注意的是它的内存管理。一旦线程创建了InheritableThreadLocal实例，它会一直保留在所有后代线程中，直到显式调用remove方法或线程结束。因此，在资源管理和内存控制上，开发者需要特别注意，以防止潜在的内存泄漏问题。

       总之，InheritableThreadLocal通过在Thread类中引入专门的数据结构和方法来实现其独特的继承机制，简化了多线程编程中数据共享和管理的复杂性。然而，其使用需要谨慎，以避免不必要的内存占用和潜在的内存泄漏风险。

ThreadLocal面试题自己整理

       ThreadLocal是Java提供的一种线程内部局部变量，能保证各个线程变量相对独立于其他线程中的变量。在多线程环境下访问时，ThreadLocal实例通常为private static类型，关联线程和线程上下文，有助于在不同线程间实现隔离。

       其典型应用场景包括：

       Spring框架利用ThreadLocal保证单个线程中的数据库操作使用同一连接，避免了频繁创建连接的开销。同时，通过传播级别巧妙管理事务切换，优化了事务处理流程。

       在需要传递上下文（如用户身份、任务信息等）的场景中，ThreadLocal提供了一种简便且高效的方式，避免了参数传递的复杂性。

       ThreadLocal的源码分析包括：

       set方法：用于设置线程局部变量的值。

       get方法：用于获取线程局部变量的值。

       ThreadLocalMap的底层结构是数组，而非通常的哈希表实现。每个ThreadLocal对象都有一个threadLocalHashCode，用于定位到数组中的特定位置进行存储。采用开放地址法解决哈希冲突，而非链表。

       如果想在父子进程间共享ThreadLocal中的值，可通过使用InheritableThreadLocal。在主线程中创建InheritableThreadLocal实例，并在子线程中获取该实例的值。

       ThreadLocal不会导致内存泄漏，因为ThreadLocalMap中的Entry设计为弱引用。弱引用允许垃圾回收器在必要时回收引用的对象，从而避免因持有引用导致的内存泄漏问题。

一文读懂ThreadLocal的原理及使用场景

       ThreadLocal 类是用来提供线程内部的局部变量,即线程本地变量。这种变量在多线程环境下访问(通过get和set方法访问)时能够保证各个线程的变量相对独立于其他线程内的变量，不同线程之间不会相互干扰，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组件之间一些公共变量传递的复杂度。

       ThreadLocal 表示线程的“本地变量”，即每个线程都拥有该变量副本，达到人手一份的效果，各用各的，这样就可以避免共享资源的竞争。

       在高并发中会存在多个线程同时修改一个共享变量的场景，这就可能会出现线性安全问题。为了解决线性安全问题，可以通过加锁来实现，例如使用synchronized 或者Lock。但是加锁的方式可能会导致系统变慢。另外一种方式，可以使用ThreadLocal类访问共享变量，这样会在每个线程的本地，都保存一份共享变量的拷贝副本。这是一种“空间换时间”的方案，虽然会让内存占用大很多，但是由于不需要同步也就减少了线程可能存在的阻塞等待，从而提高时间效率。

       接下来就让我们学习 ThreadLocal 的几个核心方法，来了解ThreadLocal 的实现原理。

       set() 方法设置当前线程中 ThreadLocal 变量的值，该方法的源码为：通过源码我们知道 value 是存放在 ThreadLocalMap 里的，数据 value 是存放在 ThreadLocalMap 这个容器中的，并且是以当前 ThreadLocal 实例为 key 的。

       ThreadLocalMap 是怎样来的？源码很清楚，是通过getMap(t)进行获取：该方法直接返回当前线程对象 t 的一个成员变量 ThreadLocals：也就是说ThreadLocalMap 的引用是作为 Thread 的一个成员变量的，被 Thread 进行维护的。

       总结一下 set 方法：通过当前线程对象 thread 获取该 thread 所维护的 ThreadLocalMap，如果 ThreadLocalMap 不为 null，则以 ThreadLocal 实例为 key，值为 value 的键值对存入 ThreadLocalMap，若 ThreadLocalMap 为 null 的话，就新建 ThreadLocalMap，然后再以 ThreadLocal 为键，值为 value 的键值对存入即可。

       get() 方法是获取当前线程中 ThreadLocal 变量的值，代码逻辑请看注释，另外，看下 setInitialValue 主要做了些什么事情？这段方法的逻辑和 set 方法几乎一致，关注的是 initialValue 方法:这个方法是 protected 修饰的，也就是说继承 ThreadLocal 的子类可重写该方法，实现赋值为其他的初始值。

       总结一下 get 方法：通过当前线程 thread 实例获取到它所维护的 ThreadLocalMap，然后以当前 ThreadLocal 实例为 key 获取该 map 中的键值对（Entry），如果 Entry 不为 null 则返回 Entry 的 value。如果获取 ThreadLocalMap 为 null 或者 Entry 为 null 的话，就以当前 ThreadLocal 为 Key，value 为 null 存入 map 后，并返回 null。

       remove() 方法实现了如何删数据的操作。删除数据当然是从 map 中删除数据，先获取与当前线程相关联的 ThreadLocalMap，然后从 map 中删除该 ThreadLocal 实例为 key 的键值对即可。

       从上面的分析我们已经知道，数据其实都放在了 ThreadLocalMap 中，ThreadLocal 的 get、set 和 remove 方法实际上都是通过 ThreadLocalMap 的 getEntry、set 和 remove 方法实现的。ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 一个静态内部类，内部维护了一个数组（Entry 类型的 table 数组），Entry 是一个以 ThreadLocal 为 key，Object 为 value 的键值对，这里的ThreadLocal 是弱引用。每个线程实例中都可以通过 ThreadLocals 获取到 ThreadLocalMap，而 ThreadLocalMap 实际上就是一个以 ThreadLocal 实例为 key，任意对象为 value 的 Entry 数组。当我们为 ThreadLocal 变量赋值时，实际上就是以当前 ThreadLocal 实例为 key，值为 value 的 Entry 往这个 ThreadLocalMap 中存放。需要注意的是，Entry 中的 key 是弱引用，当 ThreadLocal 外部强引用被置为 null(ThreadLocalInstance=null)时，系统 GC 的时候，根据可达性分析，这个 ThreadLocal 实例就没有任何一条链路能够引用到它，此时 ThreadLocal 势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap 中就会出现 key 为 null 的 Entry，如果没有办法访问这些 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。

       当然，如果当前 thread 运行结束，ThreadLocal、ThreadLocalMap、Entry 没有引用链可达，在垃圾回收的时候都会被系统回收。在实际开发中，会使用线程池去维护线程的创建和复用，比如固定大小的线程池，线程为了复用是不会主动结束的。

       本文主要讲解了ThreadLocal的作用及基本用法，以及ThreadLocal的实现原理和基础方法。线上环境中，ThreadLocal还有可能引起内存泄漏，这方面内容我们后续接着讲。

       本文由 mdnice 多平台发布