使用线程封闭是实现线程安全最简单的方式之一，维持线程封闭性的一种常规方法是使用 ThreadLocal，它能使线程中的某个值与保存值的对象关联起来。ThreadLocal 提供了 get 与 set 等方法，这些方法为每个使用该变量的线程都有一份独立的副本，因此 get 总是返回由当前执行线程在调用 set 时设置的最新值。

实现原理

Thread 在内部定义了一个 ThreadLocal.ThreadLocalMap 类型的 threadLocals 变量，用于在 ThreadLocal 中获取当前线程关联的 ThreadLocal.ThreadLocalMap 实例。

  1. public class Thread implements Runnable {
  2.     // ......
  4.     /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
  5.      * by the ThreadLocal class. */
  6.     ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
  8.     // ......
  9. }

ThreadLocal.ThreadLocalMap 在内部定义了一个 ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry 数组 table 变量。ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry 继承了 WeakReference<ThreadLocal<?>>，它使用 ThreadLocal 实例的引用作为 Map 的 key，使用 ThreadLocal set 方法设置的数据作为 Map 的 value。

  1. public class ThreadLocal<T> {
  2.     // ......
  4.     static class ThreadLocalMap {
  6.         static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
  7.             Object value;
  9.             Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
  10.                 super(k);
  11.                 value = v;
  12.             }
  13.         }
  15.         private Entry[] table;
  17.         private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
  18.             Entry[] tab = table;
  19.             // ......
  20.             tab[i] = new Entry(key, value);
  21.             // ......
  22.         }
  24.         // ......
  25.     }
  27.     // ......
  28. }

ThreadLocal 在对 ThreadLocal.ThreadLocalMap 进行封装之后，对外提供了 get 和 set 方法。

  1. public class ThreadLocal<T> {
  2.     // ......
  4.     public T get() {
  5.         Thread t = Thread.currentThread();
  6.         ThreadLocalMap map = getMap(t);
  7.         if (map != null) {
  8.             ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
  9.             if (e != null) {
  10.                 @SuppressWarnings("unchecked")
  11.                 T result = (T)e.value;
  12.                 return result;
  13.             }
  14.         }
  15.         return setInitialValue();
  16.     }
  18.     public void set(T value) {
  19.         Thread t = Thread.currentThread();
  20.         ThreadLocalMap map = getMap(t);
  21.         if (map != null)
  22.             map.set(this, value);
  23.         else
  24.             createMap(t, value);
  25.     }
  27.     // ......
  28. }

一图概览

  1. +------------+
  2. |Thread      |
  3. |------------|   +--------------------------+
  4. |threadLocals|-->|ThreadLocal.ThreadLocalMap|
  5. |------------|   |--------------------------|   +--------------------------------+
  6. | ......     |   |table[]                   |-->|ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry|
  7. +------------+   |--------------------------|   |-----------+-----------+--------|
  8.                  | ......                   |   |ThreadLocal|ThreadLocal|        |
  9.                  +--------------------------+   |  WeakRef  |  WeakRef  | ...... |
  10.                                                 |-----------+-----------+--------|
  11.                                                 |   value   |   value   | ...... |
  12.                                                 +-----------+-----------+--------+

内存泄漏

Thread 和 ThreadLocal 中都会持有 ThreadLocal.ThreadLocalMap 的引用，并且 ThreadLocal 内部与 ThreadLocal.ThreadLocalMap 的引用关系是 WeakReference 弱引用。所以在 ThreadLocal 已经被 GC 回收，并且当 Thread 还存活时，ThreadLocal.ThreadLocalMap 就是一个只会占用内存但不会被实际使用的内存垃圾。不过当 Thread 运行结束时，ThreadLocal.ThreadLocalMap 也会被回收，此时也就不存在内存泄漏的问题了。

在父子线程之间传递数据

InheritableThreadLocal 扩展了 ThreadLocal，支持在创建子线程时继承父线程中保存的 InheritableThreadLocal 数据。

向可复用的线程传递数据

ThreadLocal 中的数据与线程的生命周期绑定在一起，因此不适用于使用线程池等会池化复用线程的场景。但是如果应用确实使用了线程池 ThreadPoolExecutor，并且存在将 任务提交时 的数据传递给 任务执行时 的需求时候，可以考虑使用阿里巴巴的开源组件：TransmittableThreadLocal。