阿里二面：ThreadLocal内存泄露灵魂四问，人麻了！

冰河

发布于 2023-11-06 15:20:28

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发布于 2023-11-06 15:20:28

大家好，我是冰河~~

ThreadLocal能够在线程本地存储对应的变量，从而有效的避免线程安全问题。但是使用ThreadLocal时，稍微不注意就有可能造成内存泄露的问题。那么ThreadLocal在哪些场景下会出现内存泄露？哪些场景下不会出现内存泄露？出现内存泄露的根本原因又是什么呢？如何真正避免内存泄露？

接下来，我们就用大量的图解来分析ThreadLocal内存泄露的四个核心问题：哪些场景不会内存泄露、哪些场景会内存泄露、内存泄露的根本原因是什么、以及如何真正避免内存泄露。

一、ThreadLocal内部结构

为了更好的说明ThreadLocal内存泄露的场景，以及具体的原因，先来了解下ThreadLocal的内部结构，如图1所示。

可以看到，ThreadLocal对象是存储在每个Thread线程内部的ThreadLocalMap中的，并且在ThreadLocalMap中有一个Entry数组，Entry数组中的每一个元素都是一个Entry对象。

每个Entry对象中存储着一个ThreadLocal对象与其对应的value值，每个Entry对象在Entry数组中的位置是通过ThreadLocal对象的threadLocalHashCode计算出来的，以此来快速定位Entry对象在Entry数组中的位置。所以，在Thread中，可以存储多个ThreadLocal对象。

二、不会出现内存泄露的场景

了解完ThreadLocal的内部存储结构后，我们先来思考下哪些场景下ThreadLocal不会发生内存泄露，假设我们单独开启一个线程，并且将变量存储到ThreadLocal中，如图2所示。

可以看到，Thread线程在正常执行的情况下，会引用ThreadLocalMap的实例对象，只要Thread线程一直在执行任务，这种引用关系就一直存在。

当Thread线程执行任务结束退出时，Thread线程与ThreadLocalMap实例对象之间的引用关系就不存在了，如图3所示。

Thread线程执行完任务退出后，线程里持有的ThreadLocalMap对象也就失去了强引用，此时ThreadLocalMap对象就会被GC自动回收，而ThreadLocalMap中包含的ThreadLocal对象也会被GC回收掉，如图4所示。

可以看出，如果只是通过Thread类或者Thread类的子类来创建线程执行任务，随着对应线程的任务执行完毕，线程退出，Thread线程引用的ThreadLocal也会被GC回收掉，此时就不会出现内存泄露的问题。

三、会出现内存泄露的场景

在实际项目中，如果为每个任务的执行都开启一个线程的话，是非常耗费系统资源的，所以，在实际项目中，我们很少直接使用Thread类来创建线程，而是使用线程池来执行对应的任务。如果是在线程池场景下，线程与ThreadLocalMap之间的引用关系又是怎样的呢？

这里，我们先来看一张图，如图5所示。

可以看到，线程池中会有多个线程执行任务，如果是通过ThreadLocal存储数据的话，每个线程都会引用一个ThreadLocalMap对象。

另外，线程池中的核心线程在执行完任务后，是不会退出的，可以循环使用，说明线程池中的每个核心线程和ThreadLocalMap之间一直是强引用关系，核心线程对应的ThreadLocal是不会自动被GC回收的，会存在内存泄露的风险。

四、内存泄露问题分析

这里，我们对在线程池中使用ThreadLocal存在内存泄露问题的原因进行分析，首先，将ThreadLocalMap中的Entry数组展开，如图6所示。

可以看到，ThreadLocalMap中包含一个Entry数组，而Entry数组中的每一个元素就是Entry对象，Entry对象中存储的Key就是ThreadLocal对象，而value就是要存储的数据。其中，Entry对象中的Key属于弱引用，这点我们可以从ThreadLocalMap类中的内部类Entry的定义可以看出。Entry类的源码详见：java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

可以看到，Entry类继承了WeakReference类，WeakReference类的泛型是ThreadLocal，，说明ThreadLocalMap中的Entry数组对Entry对象的Key就是弱引用。所以，Entry对象中的Key可以被GC自动回收。当Entry对象中的Key被GC自动回收后如图7所示。

当Entry对象中的Key被GC自动回收后，对应的ThreadLocal被GC回收掉了，变成了null，但是ThreadLocal对应的value值依然被Entry引用，不能被GC自动回收，如图8所示。

此时，我们可以看到，Entry对象中的Key，也就是ThreadLocal对象可以被GC自动回收，但是对应的value还在被引用，所以，value是不能被GC自动回收的，这种情况下就会存在内存泄露的风险。

我们再来总结下，在线程池中使用ThreadLocal保存数据存在内存泄露风险的原因：线程池中的核心线程会被循环使用，每个线程中对应的ThreadLocalMap会被线程强引用。

所以，每个线程对应的ThreadLocalMap不能被GC自动回收。而ThreadLocalMap中包含一个Entry数组，Entry数组中含有多个Key为ThreadLocal，value为存储的数据的Entry对象，虽然Entry对象中的Key是弱引用，能够被GC自动回收，但是value却是强引用，不能被GC自动回收，所以，在线程池中使用ThreadLocal会存在内存泄露的风险。

五、如何避免内存泄露

在线程池中使用ThreadLocal如何避免内存泄露呢？ThreadLocal提供相应的解决方法了吗？这里，我们就从ThreadLocal的源码中看看ThreadLocal是否提供了对应的解决方案。

在ThreadLocal中，提供了一个remove()方法，源码详见：java.lang.ThreadLocal#remove。

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

可以看到，在remove()方法中，首先根据当前线程获取ThreadLocalMap类型的m对象，不为空，则直接调用m对象的有参remove()方法移除value的值。

有参remove()方法的源码详见：java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap#remove。

private void remove(ThreadLocal<?> key) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        if (e.get() == key) {
            e.clear();
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}

可以看到，在有参remove()方法中，会通过threadLocalHashCode计算出Entry对象在Entry数组中的位置，并获取出对应的Entry对象，如果Entry对象不为空，并且Entry对象中的Key等于传入的ThreadLocal对象，则清除对应的Key，并且调用expungeStaleEntry()方法。

接下来，我们再分析下expungeStaleEntry()方法，源码详见：java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap#expungeStaleEntry。

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    // expunge entry at staleSlot
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = null;
    size--;

    // Rehash until we encounter null
    Entry e;
    int i;
    for (i = nextIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = nextIndex(i, len)) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == null) {
            e.value = null;
            tab[i] = null;
            size--;
        } else {
            int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
            if (h != i) {
                tab[i] = null;

                // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                // null because multiple entries could have been stale.
                while (tab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);
                tab[h] = e;
            }
        }
    }
    return i;
}

可以看到，在expungeStaleEntry()方法中，会将ThreadLocal为null对应的value设置为null，同时会把对应的Entry对象也设置为null，并且会将所有ThreadLocal对应的value为null的Entry对象设置为null，这样就去除了强引用，便于后续的GC进行自动垃圾回收，也就避免了内存泄露的问题。调用ThreadLocal的remove()方法后的示意图如图9所示。

注意：在ThreadLocal中，不仅仅是remove()方法会调用expungeStaleEntry()方法，在set()方法和get()方法中也可能会调用expungeStaleEntry()方法来清理数据。

还有一点需要注意的是，ThreadLocal虽然提供了避免内存泄露的方法，但是ThreadLocal不会主动去执行这些方法，需要我们在使用完ThreadLocal对象中保存的数据后，在finally{}代码块中调用ThreadLocal的remove()方法，加快GC自动垃圾回收，避免内存泄露。

六、总结

本文，主要结合图例介绍了ThreadLocal有关内存泄露方面的知识，包括：ThreadLocal的内部结构，不会出现内存泄露的场景，会出现内存泄露的场景，内存泄露的问题分析以及如何避免内存泄露。

七、提升实战能力

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