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专注于 Java 领域优质技术，欢迎关注作者：面试君引言 ThreadLocal 是面试过程中非常高频的一个类，这类的复杂程度绝对是可以带出一系列连环
专注于 Java 领域优质技术，欢迎关注
作者：面试君
ThreadLocal 是面试过程中非常高频的一个类，这类的复杂程度绝对是可以带出一系列连环炮的面试轰炸。biu biu biu ~~~~.
一直觉得自己对这个类很了解了，但是直到去看源码，接二连三的技术浮出水面（弱引用，避免内存溢出的操作，开放地址法解决 hash 冲突，各种内部类的复杂的关系），看到你怀疑人生，直到根据代码一步一步的画图才最终理解（所以本篇文章会有大量的图）。 这里也给大家一个启示，面对复杂的事情的时候，实在被问题绕晕了，就画图吧，借助图可以让问题可视化，便于理解。
ThreadLocal 是一个线程的本地变量，也就意味着这个变量是线程独有的，是不能与其他线程共享的，这样就可以避免资源竞争带来的多线程的问题，这种解决多线程的安全问题和 lock(这里的 lock 指通过 synchronized 或者 Lock 等实现的锁) 是有本质的区别的:
- lock 的资源是多个线程共享的，所以访问的时候需要加锁。
- ThreadLocal 是每个线程都有一个副本，是不需要加锁的。
- lock 是通过时间换空间的做法。
- ThreadLocal 是典型的通过空间换时间的做法。
当然他们的使用场景也是不同的，关键看你的资源是需要多线程之间共享的还是单线程内部共享的
ThreadLocal 的使用是非常简单的，看下面的代码
看到这里是不是觉得特别简单？别高兴太早，点进去代码看看，你绝对会怀疑人生
在分析源码之前先画一下 ThreadLocal ，ThreadLocalMap 和 Thread 的关系，如果你对他们的关系还不了解的话，请看我的另一篇文章 BAT 面试必考：ThreadLocal ，ThreadLocalMap 和 Thread 的关系
set 方法
createMap 方法只是在第一次设置值的时候创建一个 ThreadLocalMap 赋值给 Thread 对象的 threadLocals 属性进行绑定，以后就可以直接通过这个属性获取到值了。从这里可以看出，为什么说 ThreadLocal 是线程本地变量来的了
值真正是放在 ThreadLocalMap 中存取的，ThreadLocalMap 内部类有一个 Entry 类，key 是 ThreadLocal 对象，value 就是你要存放的值，上面的代码 value 存放的就是 hello word。ThreadLocalMap 和 HashMap 的功能类似，但是实现上却有很大的不同：
- HashMap 的数据结构是数组 + 链表
- ThreadLocalMap 的数据结构仅仅是数组
- HashMap 是通过链地址法解决 hash 冲突的问题
- ThreadLocalMap 是通过开放地址法来解决 hash 冲突的问题
- HashMap 里面的 Entry 内部类的引用都是强引用
- ThreadLocalMap 里面的 Entry 内部类中的 key 是弱引用，value 是强引用
为什么 ThreadLocalMap 采用开放地址法来解决哈希冲突?
jdk 中大多数的类都是采用了链地址法来解决 hash 冲突，为什么 ThreadLocalMap 采用开放地址法来解决哈希冲突呢？首先我们来看看这两种不同的方式
链地址法
这种方法的基本思想是将所有哈希地址为 i 的元素构成一个称为同义词链的单链表，并将单链表的头指针存在哈希表的第 i 个单元中，因而查找、插入和删除主要在同义词链中进行。列如对于关键字集合 {12,67,56,16,25,37, 22,29,15,47,48,34}，我们用前面同样的 12 为除数，进行除留余数法：
开放地址法
这种方法的基本思想是一旦发生了冲突，就去寻找下一个空的散列地址 (这非常重要，源码都是根据这个特性，必须理解这里才能往下走)，只要散列表足够大，空的散列地址总能找到，并将记录存入。
比如说，我们的关键字集合为 {12,33,4,5,15,25}, 表长为 10。 我们用散列函数 f(key) = key mod l0。 当计算前 S 个数{12,33,4,5} 时，都是没有冲突的散列地址，直接存入（蓝色代表为空的，可以存放数据）：
计算 key = 15 时，发现 f(15) = 5，此时就与 5 所在的位置冲突。于是我们应用上面的公式 f(15) = (f(15)+1) mod 10 =6。于是将 15 存入下标为 6 的位置。这其实就是房子被人买了于是买下一间的作法：
链地址法和开放地址法的优缺点
开放地址法：
- 容易产生堆积问题，不适于大规模的数据存储。
- 散列函数的设计对冲突会有很大的影响，插入时可能会出现多次冲突的现象。
- 删除的元素是多个冲突元素中的一个，需要对后面的元素作处理，实现较复杂。
链地址法：
- 处理冲突简单，且无堆积现象，平均查找长度短。
- 链表中的结点是动态申请的，适合构造表不能确定长度的情况。
- 删除结点的操作易于实现。只要简单地删去链表上相应的结点即可。
- 指针需要额外的空间，故当结点规模较小时，开放定址法较为节省空间。
ThreadLocalMap 采用开放地址法原因
- ThreadLocal 中看到一个属性 HASH_INCREMENT = 0x61c88647 ，0x61c88647 是一个神奇的数字，让哈希码能均匀的分布在 2 的 N 次方的数组里, 即 Entry[] table，关于这个神奇的数字 google 有很多解析，这里就不重复说了
- ThreadLocal 往往存放的数据量不会特别大（而且 key 是弱引用又会被垃圾回收，及时让数据量更小），这个时候开放地址法简单的结构会显得更省空间，同时数组的查询效率也是非常高，加上第一点的保障，冲突概率也低
如果对弱引用不了解的同学，先看下我之前的写的一篇文章别再找了，一文彻底解析 Java 中的弱引用（参考官网）系
接下来我们看看 ThreadLocalMap 中的存放数据的内部类 Entry 的实现源码
我们可以知道 Entry 的 key 是一个弱引用，也就意味这可能会被垃圾回收器回收掉
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也就意味着被回收掉了
ThreadLocalMap set 方法
还是拿上面解释开放地址法解释的例子来说明下。 比如说，我们的关键字集合为 {12,33,4,5,15,25}, 表长为 10。 我们用散列函数 f(key) = key mod l0。 当计算前 S 个数{12,33,4,5,15,25} 时，并且此时 key=33,k=5 已经过期了（蓝色代表为空的，可以存放数据，红色代表 key 过期，过期的 key 为 null）：
replaceStaleEntry 这个方法
第一个 for 循环是向前遍历数据的，直到遍历到空的 entry 就停止（这个是根据开放地址的线性探测法）, 这里的例子就是遍历到 index=1 就停止了。向前遍历的过程同时会找出过期的 key, 这个时候找到的是下标 index=3 的为过期，进入到
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注意此时 slotToExpunge=3，staleSlot=5
第二个 for 循环是从 index=staleSlot 开始，向后编列的，找出是否有和当前匹配的 key, 有的话进行清理过期的对象和重新设置当前的值。这个例子遍历到 index=6 的时候，匹配到 key=15 的值，进入如下代码
先进行数据交换，注意此时 slotToExpunge=3，staleSlot=5，i=6。这里就是把 5 和 6 的位置的元素进行交换，并且设置新的 value=new, 交换后的图是这样的
为什么要交换
这里解释下为什么交换，我们先来看看如果不交换的话，经过设置值和清理过期对象，会是以下这张图
这个时候如果我们再一次设置一个 key=15,value=new2 的值，通过 f(15)=5, 这个时候由于上次 index=5 是过期对象，被清空了，所以可以存在数据，那么就直接存放在这里了
你看，这样整个数组就存在两个 key=15 的数据了，这样是不允许的，所以一定要交换数据 expungeStaleEntry
接下来我们详细模拟下整个过程 根据我们的例子，key=5,15,25 都是冲突的，并且 k=5 的值已经过期，经过 replaceStaleEntry 方法，在进入 expungeStaleEntry 方法之前，数据结构是这样的
此时传进来的参数 staleSlot=6，
这个时候会把 index=6 设置为 null, 数据结构变成下面的情况
接下来我们会遍历到 i=7，经过 int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1) (实际上对应我们的举例的函数 int h= f(25)); 得到的 h=5, 而 25 实际存放在 index=7 的位置上，这个时候我们需要从 h=5 的位置上重新开始编列，直到遇到空的 entry 为止
这个时候 h=6，并把 k=25 的值移到 index=6 的位置上，同时设置 index=7 为空，如下图
其实目的跟 replaceStaleEntry 交换位置的原理是一样的，为了防止由于回收掉中间那个冲突的值，导致后面冲突的值没办法找到（因为 e==null 就跳出循环了）
通过上面的分析，我们知道 expungeStaleEntry() 方法是帮助垃圾回收的，根据源码，我们可以发现 get 和 set 方法都可能触发清理方法 expungeStaleEntry()，所以正常情况下是不会有内存溢出的 但是如果我们没有调用 get 和 set 的时候就会可能面临着内存溢出，养成好习惯不再使用的时候调用 remove(), 加快垃圾回收，避免内存溢出
退一步说，就算我们没有调用 get 和 set 和 remove 方法, 线程结束的时候，也就没有强引用再指向 ThreadLocal 中的 ThreadLocalMap 了，这样 ThreadLocalMap 和里面的元素也会被回收掉，但是有一种危险是，如果线程是线程池的， 在线程执行完代码的时候并没有结束，只是归还给线程池，这个时候 ThreadLocalMap 和里面的元素是不会回收掉的