ThreadLocal

java中的ThreadLocal有哪些应用场景？举几个例子

线程安全的对象副本
- 场景描述：在多线程环境下，当多个线程需要访问同一个对象，但又不想因为共享该对象而导致数据混乱时，ThreadLocal 就可以发挥作用。例如，在一个 Web 应用程序中，每个用户请求可能由一个独立的线程来处理。假设应用中有一个SimpleDateFormat对象用于日期格式化，它不是线程安全的。如果多个线程共享一个SimpleDateFormat实例，在并发访问时可能会出现日期格式化错误。
- 示例代码：

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
public class ThreadLocalDateFormat {
    private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy - MM - dd HH:mm:ss"));
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            SimpleDateFormat dateFormat = threadLocal.get();
            System.out.println(dateFormat.format(new Date()));
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            SimpleDateFormat dateFormat = threadLocal.get();
            System.out.println(dateFormat.format(new Date()));
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

代码解释：在这个例子中，通过ThreadLocal为每个线程创建了一个SimpleDateFormat对象的副本。ThreadLocal.withInitial()方法用于初始化ThreadLocal，当线程第一次访问threadLocal.get()时，会调用传入的 lambda 表达式来创建SimpleDateFormat对象。这样，每个线程都有自己独立的SimpleDateFormat，避免了线程安全问题。

数据库连接管理
- 场景描述：在数据库访问层，通常希望每个线程都能使用自己独立的数据库连接。如果多个线程共享一个数据库连接，可能会出现数据不一致、连接状态混乱等问题。ThreadLocal可以用来为每个线程分配一个独立的数据库连接。
- 示例代码：

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;
public class ThreadLocalDBConnection {
    private static ThreadLocal<Connection<threadLocal> = new ThreadLocal<>();
    public static Connection getConnection() {
        Connection connection = threadLocal.get();
        if (connection == null) {
            try {
                connection = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username", "password");
                threadLocal.set(connection);
            } catch (SQLException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return connection;
    }
    public static void closeConnection() {
        Connection connection = threadLocal.get();
        if (connection!= null) {
            try {
                connection.close();
                threadLocal.remove();
            } catch (SQLException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

代码解释：这个代码示例定义了一个ThreadLocal来存储数据库连接。getConnection方法首先尝试从ThreadLocal中获取连接，如果没有获取到（即当前线程还没有创建连接），就创建一个新的连接并存储到ThreadLocal中。closeConnection方法用于关闭连接并从ThreadLocal中移除连接对象，这样可以确保连接资源的正确释放。

用户上下文信息传递
- 场景描述：在一个复杂的企业级应用中，可能需要在整个请求处理过程中传递用户相关的上下文信息，如用户 ID、权限级别等。这些信息在不同的业务层（如服务层、数据访问层）都可能会用到，使用ThreadLocal可以方便地在同一线程内传递这些信息。
- 示例代码：

public class UserContext {
    private static ThreadLocal<UserInfo> userThreadLocal = new ThreadLocal();
    public static void setUser(UserInfo userInfo) {
        userThreadLocal.set(userInfo);
    }
    public static UserInfo getUser() {
        return userThreadLocal.get();
    }
    public static void clearUser() {
        userThreadLocal.remove();
    }
}
class UserInfo {
    private int userId;
    private String userName;
    public UserInfo(int userId, String userName) {
        this.userId = userId;
        this.userName = userName;
    }
    public int getUserId() {
        return userId;
    }
    public String getUserName() {
        return userName;
    }
}

代码解释：UserContext类中的ThreadLocal用于存储用户信息（UserInfo对象）。setUser方法用于设置用户信息，getUser方法用于获取用户信息，clearUser方法用于清除用户信息。这样，在一个请求处理的线程中，不同的业务模块可以方便地获取和使用用户上下文信息，而且不会与其他线程的用户信息混淆。

ThreadLocal是如何实现线程安全的？

数据存储结构
- ThreadLocal 是通过为每个线程创建独立的变量副本来实现线程安全的。在 Java 中，每个线程都有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap对象，这个ThreadLocalMap是ThreadLocal的一个内部类，用于存储该线程对应的ThreadLocal变量。
- 例如，假设有一个ThreadLocal<String>对象，当多个线程访问这个ThreadLocal时，实际上每个线程是在自己的ThreadLocalMap中存储和获取数据，就像每个线程都有一个独立的小仓库来存放自己的数据，互不干扰。
ThreadLocalMap 的工作原理
- 存储数据：当在一个线程中调用ThreadLocal的set方法时，比如threadLocal.set("value");，实际上是在当前线程的ThreadLocalMap中进行存储操作。它以当前ThreadLocal对象为键（通过ThreadLocal对象的threadLocalHashCode属性来唯一标识），要存储的值为值，将这个键值对存储到ThreadLocalMap中。
- 获取数据：当调用get方法时，如String value = threadLocal.get();，它会首先获取当前线程的ThreadLocalMap，然后以当前ThreadLocal对象为键，从ThreadLocalMap中查找对应的键值对，找到就返回值，找不到就返回null或者执行初始化操作（如果通过withInitial方法设置了初始化函数）。
- 内存管理与防止内存泄漏：ThreadLocalMap中的每个键值对是一个Entry对象，它继承自WeakReference<ThreadLocal<?>>。这意味着Entry对ThreadLocal对象的引用是弱引用。这样设计的目的是，当ThreadLocal对象没有其他强引用时，它可以被垃圾回收。不过，为了防止内存泄漏，在ThreadLocal的set、remove等方法中会清理掉键为null的Entry，因为如果不清理，这些Entry对应的ThreadLocal对象虽然被回收了，但值可能还存在于ThreadLocalMap中，占用内存空间。
与线程生命周期的关联
- 因为每个线程都有自己独立的ThreadLocalMap，所以ThreadLocal变量的生命周期与线程的生命周期相关联。当一个线程结束时，与之关联的ThreadLocalMap及其内部存储的数据也会被回收（假设没有其他外部引用）。
- 例如，在一个 Web 应用服务器中，一个请求处理线程在处理完请求后结束，那么该线程所关联的ThreadLocal变量副本就会被销毁，不会对下一个请求处理线程产生影响，从而保证了线程之间的数据独立性和线程安全。

ThreadLocal内存泄漏的原因

弱引用与强引用的概念
- 在 Java 中，引用分为强引用、软引用、弱引用和虚引用。强引用是最常见的引用方式，只要对象被强引用，垃圾回收器就不会回收它。例如，Object obj = new Object();这里obj就是对new Object()这个对象的强引用。
- 弱引用则不同，当一个对象只有弱引用指向它时，在垃圾回收器下一次运行时，这个对象就会被回收。WeakReference是 Java 中用于表示弱引用的类。在ThreadLocal的实现中，ThreadLocalMap的Entry继承自WeakReference<ThreadLocal<?>>，这意味着Entry对ThreadLocal对象的引用是弱引用。
ThreadLocal 内存泄漏的触发机制
- 正常情况：当一个线程使用ThreadLocal时，ThreadLocal对象作为键，存储的值作为值，存放在ThreadLocalMap中。在理想情况下，当线程结束或者ThreadLocal对象的生命周期结束并且没有其他强引用时，ThreadLocal对象会被垃圾回收，同时ThreadLocalMap中的相应Entry也会被清理（因为Entry对ThreadLocal的引用是弱引用）。
- 内存泄漏场景：如果ThreadLocal对象的生命周期结束了，但是线程还在运行，由于Entry对ThreadLocal是弱引用，ThreadLocal对象会被垃圾回收。然而，Entry中的值仍然可能被线程访问，并且由于Entry对象本身（除了对ThreadLocal的弱引用部分）并没有被回收，这就导致存储的值对象无法被回收，从而造成内存泄漏。
- 例如，假设有一个ThreadLocal<String>对象，在一个长时间运行的线程中使用。当ThreadLocal对象本身被设置为null或者超出了作用域，它被垃圾回收了，但是ThreadLocalMap中的Entry因为值对象（String）还有其他引用（可能在业务逻辑中有其他地方引用了这个String）而无法被清理，这个String对象就会一直占用内存空间。
防止内存泄漏的措施（remove方法的重要性）
- 为了防止这种内存泄漏，ThreadLocal提供了remove方法。当ThreadLocal对象不再需要时，应该及时调用remove方法来清除ThreadLocalMap中对应的Entry。
- 例如，在一个 Web 应用中，当一个请求处理结束时，应该在处理请求的线程中清理所有使用过的ThreadLocal对象，如threadLocal.remove();。这样可以确保ThreadLocalMap中的Entry被正确清理，避免因为ThreadLocal对象的弱引用特性而导致的内存泄漏。