0、概述
ThreadLocal，即线程本地变量。它是将变量绑定到特定的线程上的“入口“，使每个线程都拥有改变量的一个拷贝，各线程相同变量间互不影响，是实现共享资源的轻量级同步。
下面是个ThreadLocal使用的实例，两个任务共享同一个变量，并且两个任务都把该变量设置为了线程私有变量，这样，虽然两个任务都”持有“同一变量，但各自持有该变量的拷贝。因此，当一个线程修改该变量时，不会影响另一线程该变量的值。
public class LocalTest1 implements Runnable {
// 一般会把 ThreadLocal 设置为static 。它只是个为线程设置局部变量的入口，多个线程只需要一个入口
private static ThreadLocal<Student> localStudent = new ThreadLocal() {
// 一般会重写初始化方法，一会分析源码时候会解释为什么
@Override
public Student initialValue() {
return new Student();
}
}; private Student student = null; @Override
public void run() {
String threadName = Thread.currentThread().getName(); System.out.println("【" + threadName + "】：is running !"); Random ramdom = new Random();
//随机生成一个变量
int age = ramdom.nextInt(100); System.out.println("【" + threadName + "】：set age to :" + age);
// 获得线程局部变量，改变属性值
Student stu = getStudent();
stu.setAge(age); System.out.println("【" + threadName + "】：第一次读到的age值为 :" + stu.getAge()); try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} System.out.println("【" + threadName + "】：第二次读到的age值为 :" + stu.getAge());
} public Student getStudent() {
student = localStudent.get(); // 如果不重写初始化方法，则需要判断是否为空，然后手动为ThreadLocal赋值
// if(student == null){
// student = new Student();
// localStudent.set(student);
// } return student;
} public static void main(String[] args) {
LocalTest1 ll = new LocalTest1();
Thread t1 = new Thread(ll, "线程1");
Thread t2 = new Thread(ll, "线程2"); t1.start();
t2.start();
}
} public class Student{
private int age; public Student(){ }
public Student(int age){
this.age = age;
} public int getAge() {
return age;
} public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
}
运行结果：
【线程1】：is running !
【线程2】：is running !
【线程2】：set age to :45
【线程1】：set age to :25
【线程1】：第一次读到的age值为 :25
【线程2】：第一次读到的age值为 :45
【线程1】：第二次读到的age值为 :25
【线程2】：第二次读到的age值为 :45
1、ThreadLocal 源码分析
ThreadLocal 源码有很多方法，但是暴露出来的公共接口只有三个：
public ThreadLocal{
public T get() {}
public void set(T value) {}
public void remove() {}
}
set(T value) 是设置局部变量的方法，源码如下：
public void set(T value) {
// 获得当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 获得当前线程的 ThreadLocalMap 引用，详细见下
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 如果不为空，则更新局部变量的值
if (map != null)
map.set(this, value);
//如果不是第一次使用，先进行初始化
else
createMap(t, value);
}
getMap(t) 源码如下，每一个Thread变量都自带了一个ThreadLocalMap类型的成员变量，用于保存该线程的成员变量。
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
//返回该线程Thread的成员变量threadLocals
return t.threadLocals;
}
但是，Thread 默认把threadLocals设置为了null，因此第一次使用局部变量时候需要先初始化。
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocalMap 是定义在ThreadLocal 类里的内部类，它的作用是存储线程的局部变量。ThreadLocalMap 以ThreadLocal的引用作为键，以局部变量作为值，存储在ThreadLocalMap.Entry （一种存储键值的数据结构）里。关于ThreadLocalMap 的源码，后文会详细介绍，这里只要知道大概原理即可。
由此我们可以总结ThreadLocal 的设计思想如下：
ThreadLocal只是个访问局部变量的入口。- 局部变量的值存在线程
Thread类本地，默认为null，只有通过ThreadLocal访问时才会进行初始化。 - [ThreadLocalMap 的设计思路在后文介绍
ThreadLocalMap源码时候会分析]
get() 是获得线程本地变量，源码如下：
public T get() {
//获得当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
//得到当前线程的一个threadLocals 变量
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
// 如果不为空，以当前ThreadLocal为主键获得对应的Entry
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
//如果值为空，则进行初始化
return setInitialValue();
}
再来看看初始化函数setInitialValue() 所进行的操作：
private T setInitialValue() {
//获得初始默认值
T value = initialValue();
//得到当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 获得该线程的ThreadLocalMap引用
ThreadLocalMap map = getMap(t);
//不为空则覆盖
if (map != null)
map.set(this, value);
else
//若是为空，则进行初始化，键为本ThreadLocal变量，值为默认值
createMap(t, value);
} // 默认初始化返回null值，这也是为什么需要重写该方法的原因。如果没有重写，第一次get()操作获得的线程本地变量为null，需要进行判断并手动调用set()进行初始化
protected T initialValue() {
return null;
}
2、ThreadLocalMap 源码分析
Thread类中包含一个ThreadLocalMap 类型的成员变量threadLocals，这是直接存储线程局部变量的数据结构。ThreadLocal 只是一个入口，通过ThreadLocal操作threadLocals，进行局部变量的查改操作。这也是为什么ThreadLocal 暴露的公有接口才三个的原因吧。同时，由于ThreadLocalMap 中的键是ThreadLocal类，也说明了，如果想为一个线程设置多个本地局部变量，需要设置多个 ThreadLocal。下面来分析下ThreadLocalMap 的源码。
ThreadLocalMap 里有几个核心的属性，和HashMap相似：
// table 默认大小，大小为2的次方，用于hash定位
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
// 存放键值对的数组
private Entry[] table;
// 扩容的临界值，当table元素大到这个值，会进行扩容
private int threshold;
在调用ThreadLocal 中的set(T) 方法时，调用了ThreadLocalMap 的set(ThreadLocal, T) 方法，
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// Hash 寻址，与table数组长度减1（二进制全是1）相与，所以数组长度必须为2的次方，减小hash重复的可能性
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); //从hash值计算出的下标开始遍历
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
//获得该Entry的键
ThreadLocal<?> k = e.get();
//如果键和传过来的相同，覆盖原值，也说明，一个ThreadLocal变量只能为一个线程保存一个局部变量
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
// 键为空，则替换该节点
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
} tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
//是否需要扩容
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
为什么说数组长度为2的次方有利于hash计算不重复呢？我们来看下，显然，和一个二进制全是1的数相于，能最大限度的保证原数的所有位数，因而重复几率会变小。
可以看出ThreadLocalMap 采用线性探测再散列解决Hash冲突的问题。即，如果一次Hash计算出来的数组下标被占用，即hash值重复了，则在该下标的基础上加1测试下一个下标，直到找到空值。比如说，Hash计算出来下标i为6，table[6] 已经有值了，那么就尝试table[7]是否被占用，依次类推，直到找到空值。以上，就是保存线程本地变量的方法。
再来分析下ThreadLocal 中的get() 方法，其中调用了ThreadLocalMap 的map.getEntry(this) 方法，并把本ThreadLocal作为参数传入，返回一个ThreadLocalMap.Entry对象（以后简称Entry），源码如下：
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
//Hash计算数组下标
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
//得到该下标的节点
Entry e = table[i];
//如果该节点存在，并且键和传过来的ThreadLocal对象相同，则返回该节点（说明该节点没有进行Hash冲突处理）
if (e != null && e.get() == key)
return e;
//如果该节点不直接满足需求，可能进行了Hash冲突处理，则另外处理
else
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
再来分析下getEntryAfterMiss(ThreadLocal, int , Entry) 的源码：
// if (e == null || e.get() != key)
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//从洗标为i开始遍历，直到遇到下一空节点或或是满足需求的节点
while (e != null) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key)
return e;
if (k == null)
//节点不为空，键为空，则清理该节点
expungeStaleEntry(i);
else
// i后移
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
//否则返回空值
return null;
}
以上就是ThreadLocalMap 几个比较关键的源码分析。
3、总结
综上所述可知，ThreadLocal 只是访问Thread本地变量的一个入口，正真存储本地变量的其实是在Thread本地，同时ThreadLocal也作为一个键去Hash找到变量所在的位置。也许你会想，为什么不把ThreadLocalMap设置为< Thread,Variable>类型，把Thread作为主键，而要增加一个中间模块ThreadLocal？我的想法是，一来，这样确实可以满足需求，但是这样无法进行hash查找，如果一个Thread的本地变量过多，通过线性查找会花费大量时间，使用ThreadLocal作为中间键，可以进行Hash查找；二来，其实本地变量的添加、查找和删除需要进行大量的操作，设计者的思路是把这些操作封装在一个ThreadLocal类里，而只暴露了三个常用的接口，如果把ThreadLocal去掉，这些操作可能要写在Thread类里，违背了设计类的“单一性”原则；三来，我们这样相当于为每个本地变量取了个“名字”（即，一个ThreadLocal对应一个本地变量），使用方便。
