深入分析 ThreadLocal 内存泄漏问题

深入分析 ThreadLocal 内存泄漏问题 - ThreadLocal

## 前言

ThreadLocal 是一个本地线程副本变量工具类。主要用于将私有线程和该线程存放的副本对象做一个映射，各个线程之间的变量互不干扰，在高并发场景下，可以实现无状态的调用，特别适用于各个线程依赖不通的变量值完成操作的场景。

### 从数据结构入手

**下图为ThreadLocal的内部结构图**
![内部结构图](//image.promptness.cn/223994257347362816.jpg "内部结构图")

从上面的结构图，我们已经窥见ThreadLocal的核心机制：
*   每个Thread线程内部都有一个Map。
*   Map里面存储线程本地对象（key）和线程的变量副本（value）
*   但是，Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变量值。

所以对于不同的线程，每次获取副本值时，别的线程并不能获取到当前线程的副本值，形成了副本的隔离，互不干扰。

ThreadLocal 的作用是提供线程内的局部变量，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者组件之间一些公共变量的传递的复杂度。但是如果滥用 ThreadLocal，就可能会导致内存泄漏。下面，我们将围绕三个方面来分析 ThreadLocal 内存泄漏的问题

*   ThreadLocal 实现原理
*   ThreadLocal为什么会内存泄漏
*   ThreadLocal 最佳实践

## ThreadLocal 实现原理
![实现原理](//image.promptness.cn/223994496707903488.jpg "实现原理")

ThreadLocal的实现是这样的：每个Thread 维护一个 ThreadLocalMap 映射表，这个映射表的 key 是 ThreadLocal 实例本身，value 是真正需要存储的 Object。

也就是说 ThreadLocal 本身并不存储值，它只是作为一个 key 来让线程从 ThreadLocalMap 获取 value。值得注意的是图中的虚线，表示ThreadLocalMap 是使用 ThreadLocal 的弱引用作为 Key 的，弱引用的对象在 GC 时会被回收。

## ThreadLocal为什么会内存泄漏
ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用来引用它，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，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。

其实，ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况，也加上了一些防护措施：在ThreadLocal的get(),set(),remove()的时候都会清除线程ThreadLocalMap里所有key为null的value。

但是这些被动的预防措施并不能保证不会内存泄漏：

*   使用线程池的时候，这个线程执行任务结束，ThreadLocal对象被回收了，线程放回线程池中不销毁，这个线程一直不被使用，导致内存泄漏。
*   分配使用了ThreadLocal又不再调用get(),set(),remove()方法，那么这个期间就会发生内存泄漏。

### 为什么使用弱引用

从表面上看内存泄漏的根源在于使用了弱引用。网上的文章大多着重分析为什么会内存泄漏，但是另一个问题也同样值得思考：为什么使用弱引用？为什么不用强引用？

我们先来看看官方文档的说法：

> To help deal with very large and long-lived usages, the hash table entries use WeakReferences for keys.
> 为了应对非常大和长时间的用途，哈希表使用弱引用的 key。

下面我们分两种情况讨论：

*   **key 使用强引用**：引用的ThreadLocal的对象被回收了，但是ThreadLocalMap还持有ThreadLocal的强引用，如果没有手动删除，ThreadLocal不会被回收，导致Entry内存泄漏。
*   **key 使用弱引用**：引用的ThreadLocal的对象被回收了，由于ThreadLocalMap持有ThreadLocal的弱引用，即使没有手动删除，ThreadLocal也会被回收。value在下一次ThreadLocalMap调用set,get的时候会被清除。

比较两种情况，我们可以发现：由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一样长，如果都没有手动删除对应key，都会导致内存泄漏，但是使用弱引用可以多一层保障：**弱引用ThreadLocal不会内存泄漏，对应的value在下一次ThreadLocalMap调用set,get,remove的时候会被清除**。

因此，ThreadLocal内存泄漏的根源是：由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一样长，如果没有手动删除对应key就会导致内存泄漏，而不是因为弱引用。

## ThreadLocal 最佳实践

综合上面的分析，我们可以理解ThreadLocal内存泄漏的前因后果，那么怎么避免内存泄漏呢？

*   每次使用完ThreadLocal，都调用它的remove()方法，清除数据。

在使用线程池的情况下，没有及时清理ThreadLocal，不仅是内存泄漏的问题，更严重的是可能导致业务逻辑出现问题。所以，使用ThreadLocal就跟加锁完要解锁一样，用完就清理。