ThreadLocal源码夺命12问，你能坚持到第几问？

原创

wx5d63d7686046d 2022-01-07 10:33:25 博主文章分类：JDK、JUC源码 ©著作权

文章标签 java 原力计划数组数据弱引用 文章分类 代码人生

©著作权归作者所有：来自51CTO博客作者wx5d63d7686046d的原创作品，请联系作者获取转载授权，否则将追究法律责任

临近秋招，备战暑期实习，祝大家每天进步亿点点！Day10
本篇总结的是 并发编程 ThreadLocal源码面试题，后续会每日更新~

ThreadLocal源码夺命12问，你能坚持到第几问？_数据

1、面试官：请你说一说你对ThreadLocal的理解？

ThreadLocal 是一个全局对象，ThreadLocal 是线程范围内变量共享的解决方案；ThreadLocal 可以看作是一个map集合，key就是当前线程，value就是要存放的变量。

ThreadLocal 对象可以给每个线程分配一份属于自己的局部变量副本，多个线程之间可以互不干扰。一般我们会重写 initalValue()方法来给当前 ThreadLocal 对象赋初始值。

2、面试官：简单描述一下JDK1.8中，ThreadLocal原理？

JDK8 中，每个线程对象 Thread 类内部都有一个成员属性 threadLocals(即ThreadLocalMap，它是一个Entry[]数组，而不是 Map 集合哦~)，各个线程在调用同一个 ThreadLocal 对象的set(value)方法设置值的时候，就是往各自的 ThreadLocalMap 对象数组中新增值。
ThreadLocalMap （Entry[]数组）中存放的是一个个的 Entry节点，它有两个属性字段，弱引用 key（ThreadLocal对象），和强引用 value (当前线程变量副本的值)。

3、面试官：ThreadLocal是怎样坐到线程互不干扰的呢(线程隔离)？

首先，每个线程 Thread 都有一份属于自己的 ThreadLoacalMap 用于存储数据。
当线程访问某个 ThreadLocal 对象的 get()方法时，方法内部会检测该线程的 ThreadLoacalMap 数组(Entry[])内是否存在 key 为当前 ThreadLocal 对象的 Entry 节点。如果数组内没有对应的节点，那么当前 ThreadLocal 对象就会调用其内部的 initialValue() 方法创建一个 Entry 节点存放到 ThreadLocalMap 中去。

4、面试官：ThreadLocal 使用的 hash 是怎样计算得来的？

首先，ThreadLocal 使用的 hash 并不是重写自 Object 的 hashCode() 方法，而是通过自身的nextHashCode();计算得来。代码如下：

// threadLocalHashCode ---> 用于threadLocals的桶位寻址：
// 1.线程获取threadLocal.get()时：
//      如果是第一次在某个threadLocal对象上get，那么就会给当前线程分配一个value，
//      这个value 和 当前的threadLocal对象被包装成为一个 entry 
//      其中entry的 key 是threadLocal对象，value 是threadLocal对象给当前线程生成的value
// 2.这个entry存放到当前线程 threadLocals 这个map的哪个桶位呢？ 
//      桶位寻址与当前 threadLocal对象的 threadLocalHashCode有关系:
//      使用 threadLocalHashCode & (table.length - 1) 计算结果得到的位置就是当前 entry 需要存放的位置。
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

// nextHashCode: 表示hash值
// 创建ThreadLocal对象时会使用到该属性：
// 每创建一个threadLocal对象时，就会使用 nextHashCode 分配一个hash值给这个对象。
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

// HASH_INCREMENT: 表示hash值的增量~
// 每创建一个ThreadLocal对象，ThreadLocal.nextHashCode的值就会增长HASH_INCREMENT（0x61c88647）。
// 这个值很特殊，它是斐波那契数也叫黄金分割数。
// hash增量为这个数字，带来的好处就是hash分布非常均匀。
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

/**
 * 返回一个nextHashCode的hash值：
 * 创建新的ThreadLocal对象时，使用这个方法，会给当前对象分配一个hash值。
 */
private static int nextHashCode() {
    // 每创建一个对象，nextHashCode计算得到的hash值就增长HASH_INCREMENT（0x61c88647）
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}

/*
 * 初始化一个起始value：
 * 默认返回null，一般情况下都是需要重写这个方法的（例如第2小节的入门案例中就重写了该方法）。
 */
protected T initialValue() {
    return null;
}

5、面试官：为什么 ThreadLocalMap 选择去重新设计"Map"，而不直接使用 JDK中的 HashMap呢？

因为 ThreadLocal 自己重新设计的 Map，它可以把自己的 Key 限定为特有类型（ThreadLocal），这个特定类型的Key 使用的是弱引用 WeakReference<ThreadLocal<?>>，而 HashMap 中的 Key 采用的是强引用方式。

6、面试官：ThreadLocalMap的Enrty的key为什么要设置成弱引用？

ThreadLocalMap 存储的格式是 Entry<ThreadLocal, T>。如果使用强引用，当 key 原来对象失效的时候，jvm不会回收 map 里面的 ThreadLocal。
弱引用 WeakReference定义：如果一个对象只具有弱引用，那么垃圾回收器在扫描到该对象时，无论内存充足与否，都会回收该对象的内存。
ThreadLocalMap 使用 ThreadLocal 的弱引用作为 key，如果一个 ThreadLocal 没有外部强引用引用他，那么系统 GC 的时候，这个 ThreadLocal 势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap 中就会出现 key 为 null 的 Entry，就没有办法访问这些 key 为 null 的 Entry 的 value。
站在 ThreadLocalMap 角度就可以区分出哪些 Entry 是过期的，哪些 Entry 是非过期的。
- 例如：在set()方法向下寻找可用 solt 桶位的过程中，如果碰到key == null 的情况，说明当前Entry 是过期数据，这个时候可以强行占用该桶位，通过replaceStaleEntry方法执行替换过期数据的逻辑。
- 例如：cleanSomeSlots(int i, int n)方法通过遍历桶位，也会将 key == null 过期数据清理掉。

7、面试官：ThreadLocalMap 对象是何时第一次被创建呢？

每个线程 Thread 对象的 ThreadLocalMap 都是延迟初始化的，当我们在调用 ThreadLocal 对象的 set() 或 get()方法时，它会检测当前线程是否已经绑定了 ThreadLocalMap，如果已经绑定，则继续执行 set() 或 get()方法的逻辑。
而如果没有，则会先创建 ThreadLocalMap 并将其绑定给 Thread 对象。

不会，在线程的生命周期内，ThreadLocalMap 对象只会被初始化一次。

8、面试官：ThreadLocalMap 的初始化长度是多少呢？

初始化时，ThreadLocalMap 容量为 16。

9、面试官：上面你说初始化长度是16，那为什么初始容量要是2的N次幂数呢？

这个设计它和 HashMap 是一样的，目的都是为了方便 hash 寻址时，得到的 index (桶位)更均匀分布，减少 hash 冲突。
寻址算法为：index = threadLocalHashCode & (table.length - 1)。这个算法实际就是取模运算：hash % tab.length，而计算机中直接求余运算效率不如位移运算。
所以源码中做了优化，使用 hash & (tab.length- 1)来寻找桶位。而实际上 hash % length 等于 hash & ( length - 1) 的前提是 length 必须为 2 的 n 次幂。

例如，数组长度 tab.length = 8 的时候，3 & (8 - 1) = 3，2 & (8 - 1) = 2，桶的位置是(数组索引) 3 和 2，不同位置上，不发生 hash 碰撞。

10、面试官：ThreadLocalMap 的扩容阈值是多少？它的扩容机制是怎样的？

首先，ThreadLocalMap 的扩容阈值为初始容量的 2/3，当数组中，存储 Entry 节点的个数大于等于 2/3 时，会它并不会直接开始扩容。
而是先调用 rehash()方法，在该方法中，全面扫描整个数组，并将数组中过期的数据（key == null）给清理掉，重新整理数组。
如果重新整理数组，并将过期的数据清理后，再次重新判断数组内的 Entry 节点的个数是否达到扩容阈值的3/4，如果达到再调用真正扩容的方法resize();

resize() 方法在真正执行扩容时，内部逻辑是先创建一个新的数组，新数组长度是原来数组长度的 2 倍。
然后遍历旧数组，将旧数组中的数据重新按照 hash 算法迁移到新数组里面。
接着重新计算出下次扩容的阈值threshold。
最后更新 Thread 对象的 threadLocals 字段引用，使其指向新数组。

11、面试官：请你说一下 ThreadLocal 的 get 方法的执行流程？

① 首先 get() 方法中会先获取当前线程对象 t ： Thread t = Thread.currentThread();
② 接下来根据 t 获取其独有的 ThreadLocalMap 数组：ThreadLocalMap map = getMap(t);
③ 如果 ② 获取的 map为空，则调用setInitialValue()方法，该方法内部调用 initialValue();方法获取 value，并根据当前线程t 和 value 调用 createMap(t, value); 方法创建 ThradLocalMap。
④ 如果 ② 获取的 map不为空，则直接调用 ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); 方法通过 this（当前ThreadLocal对象）从 ThreadLocalMap 中获取对应封装数据的 Entry 节点。
⑤ 最终通过 T result = (T)e.value; 得到要获取的线程变量副本的值。

注意：

第 ④ 步中，通过当前 ThreadLocal 对象从 ThreadLocalMap 中获取对应封装数据的 Entry 节点时，内部逻辑是需要涉及到桶位寻址 index = threadLocalHashCode & (table.length - 1)，如果获取的 inde 桶位中没有目标数据，这时候会执行``nextIndex(int i, int len)方法，**线性的向前或者向后去寻找目标数据所在的桶位，直到遍历整个数组仍未找到，则返回null`**。

此外，在线性的向前、向后遍历数组寻找目标元素所在的桶位时，如果发现数据过期了（key == null），则需要调用expungeStaleEntry(i);方法进行一次探测式过期数据回收。

12、面试官：请你说一下 ThreadLocal 的 set 方法的执行流程？

① 首先，set()方法向 ThreadLocalMap 中添加数据时，也是需要根据 Key (ThreadLocal对象) 的去寻址找到要插入的桶位下标 i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
② 根据桶位下标，获取对应桶中的Enety 对象Entry e = tab[i];，如果获取的 e 为 null ，则说明是空桶，直接讲 Key 和 Value 包装成 Entry 放入桶中即可：tab[i] = new Entry(key, value);
③ 如果第 ② 步骤获取的 e 不为 null，说明不是空桶，则需要从以下三种情况考虑：
- 如果当前桶中 Entry 的 Key 不是当前 ThreadLocal 对象，且不为 null，则调用nextIndex(int i, int len)方法线性查找下一个空桶位，并将新数据放入。
- 如果当前桶中 Entry 的 Key 是当前 ThreadLocal 对象，则通过更新操作，将就 Entry 的 Value 值覆盖。
- 如果如果当前桶中 Entry 的 Key 是null，则说明当前 Entry 已经过期，需要执行 替换过期数据的逻辑： replaceStaleEntry(key, value, i);。