談談Java引用和Threadlocal的那些事

1 背景
某一天在某一個群里面的某個群友突然提出了一個問題:"threadlocal的key是弱引用，那么在threadlocal.get()的時候,發生GC之后，key是否是null？"屏幕前的你可以好好的想想這個問題，在這里我先賣個關子，先講講Java中引用和ThreadLocal的那些事。

2 Java中的引用
對于很多Java初學者來說，會把引用和對象給搞混淆。下面有一段代碼，

User zhangsan = new User("zhangsan", 24);

這里先提個問題zhangsan到底是引用還是對象呢？很多人會認為zhangsan是個對象，如果你也是這樣認為的話那么再看一下下面一段代碼

User zhangsan;
zhangsan = new User("zhangsan", 24);

這段代碼和開始的代碼其實執行效果是一致的，這段代碼的第一行User zhangsan，定義了zhangsan，那你認為zhangsan還是對象嗎？如果你還認為的話，那么這個對象應該是什么呢？的確,zhangsan其實只是一個引用，對JVM內存劃分熟悉的同學應該熟悉下面的圖片:

是棧中分配的一個引用，而new User("zhangsan", 24)是在堆中分配的一個對象。而'='的作用是用來將引用指向堆中的對象的。就像你叫張三但張三是個名字而已并不是一個實際的人，他只是指向的你。

我們一般所說的引用其實都是代指的強引用，在JDK1.2之后引用不止這一種，一般來說分為四種:強引用，軟引用，弱引用，虛引用。而接下來我會一一介紹這四種引用。

2.1 強引用
上面我們說過了 User zhangsan = new User("zhangsan", 24);這種就是強引用，有點類似C的指針。對強引用他的特點有下面幾個:

強引用可以直接訪問目標對象。
只要這個對象被強引用所關聯，那么垃圾回收器都不會回收，那怕是拋出OOM異常。
容易導致內存泄漏。
2.2 軟引用
在Java中使用SoftReference幫助我們定義軟引用。其構造方法有兩個:

public SoftReference(T referent);
public SoftReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q);

兩個構造方法相似，第二個比第一個多了一個引用隊列，在構造方法中的第一個參數就是我們的實際被指向的對象，這里用新建一個SoftReference來替代我們上面強引用的等號。 下面是構造軟引用的例子:

softZhangsan = new SoftReference(new User("zhangsan", 24));

2.2.1軟引用有什么用？
如果某個對象他只被軟引用所指向，那么他將會在內存要溢出的時候被回收，也就是當我們要出現OOM的時候，如果回收了一波內存還不夠，這才拋出OOM,弱引用回收的時候如果設置了引用隊列，那么這個軟引用還會進一次引用隊列，但是引用所指向的對象已經被回收。這里要和下面的弱引用區分開來，弱引用是只要有垃圾回收，那么他所指向的對象就會被回收。下面是一個代碼例子:

public static void main(String[] args) {
        ReferenceQueue<User> referenceQueue = new ReferenceQueue();
        SoftReference softReference = new SoftReference(new User("zhangsan",24), referenceQueue);
        //手動觸發GC
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("手動觸發GC:" + softReference.get());
        System.out.println("手動觸發的隊列:" + referenceQueue.poll());
        //通過堆內存不足觸發GC
        makeHeapNotEnough();
        System.out.println("通過堆內存不足觸發GC:" + softReference.get());
        System.out.println("通過堆內存不足觸發GC:" + referenceQueue.poll());
    }

    private static void makeHeapNotEnough() {
        SoftReference softReference = new SoftReference(new byte[1024*1024*5]);
        byte[] bytes = new byte[1024*1024*5];
    }
    輸出:
    手動觸發GC:User{name='zhangsan', age=24}
    手動觸發的隊列:null
    通過堆內存不足觸發GC:null
    通過堆內存不足觸發GC:java.lang.ref.SoftReference@4b85612c

通過-Xmx10m設置我們堆內存大小為10，方便構造堆內存不足的情況。可以看見我們輸出的情況我們手動調用System.gc并沒有回收我們的軟引用所指向的對象，只有在內存不足的情況下才能觸發。

2.2.2軟引用的應用
在SoftReference的doc中有這么一句話:

Soft references are most often used to implement memory-sensitive caches

也就是說軟引用經常用來實現內存敏感的高速緩存。怎么理解這句話呢？我們知道軟引用他只會在內存不足的時候才觸發，不會像強引用那用容易內存溢出，我們可以用其實現高速緩存，一方面內存不足的時候可以回收，一方面也不會頻繁回收。在高速本地緩存Caffeine中實現了軟引用的緩存，當需要緩存淘汰的時候，如果是只有軟引用指向那么久會被回收。
2.3 弱引用
弱引用在Java中使用WeakReference來定義一個弱引用，上面我們說過他比軟引用更加弱，只要發生垃圾回收，若這個對象只被弱引用指向，那么就會被回收。這里我們就不多廢話了，直接上例子:

public static void main(String[] args)  {
        WeakReference weakReference = new WeakReference(new User("zhangsan",24));
        System.gc();
        System.out.println("手動觸發GC:" + weakReference.get());
    }
輸出結果:
手動觸發GC:null

可以看見上面的例子只要垃圾回收一觸發，該對象就被回收了。

2.3.1 弱引用的作用
在WeakReference的注釋中寫到:

Weak references are most often used to implement canonicalizing mappings.

從中可以知道弱引用更多的是用來實現canonicalizing mappings(規范化映射)。在JDK中WeakHashMap很好的體現了這個例子:

public static void main(String[] args) throws Exception {
        WeakHashMap<User, String> weakHashMap = new WeakHashMap();
        //強引用
        User zhangsan = new User("zhangsan", 24);
        weakHashMap.put(zhangsan, "zhangsan");
        System.out.println("有強引用的時候:map大小" + weakHashMap.size());
        //去掉強引用
        zhangsan = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("無強引用的時候:map大小"+weakHashMap.size());
    }
輸出結果為:
有強引用的時候:map大小1
無強引用的時候:map大小0

可以看出在GC之后我們在map中的鍵值對就被回收了，在weakHashMap中其實只有Key是弱引用做關聯的，然后通過引用隊列再去對我們的map進行回收處理。

2.4 虛引用
虛引用是最弱的引用，在Java中使用PhantomReference進行定義。弱到什么地步呢？也就是你定義了虛引用根本無法通過虛引用獲取到這個對象，更別談影響這個對象的生命周期了。在虛引用中唯一的作用就是用隊列接收對象即將死亡的通知。

public static void main(String[] args) throws Exception {
        ReferenceQueue referenceQueue = new ReferenceQueue();
        PhantomReference phantomReference = new PhantomReference(new User("zhangsan", 24), referenceQueue);
        System.out.println("什么也不做，獲取:" + phantomReference.get());
    }
輸出結果:
什么也不做，獲取:null

在PhantomReference的注釋中寫到:

Phantom references are most often used for scheduling pre-mortem cleanup actions in a more flexible way than is possible with the Java finalization mechanism.

虛引用得最多的就是在對象死前所做的清理操作，這是一個比Java的finalization梗靈活的機制。 在DirectByteBuffer中使用Cleaner用來回收對外內存，Cleaner是PhantomReference的子類，當DirectByteBuffer被回收的時候未防止內存泄漏所以通過這種方式進行回收，有點類似于下面的代碼:

public static void main(String[] args) throws Exception {
        Cleaner.create(new User("zhangsan", 24), () -> {System.out.println("我被回收了，當前線程:{}"+ Thread.currentThread().getName());});
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
    }
輸出:
我被回收了，當前線程:Reference Handler

3 ThreadLocal
ThreadLocal是一個本地線程副本變量工具類,基本在我們的代碼中隨處可見。這里就不過多的介紹他了。

3.1 ThreadLocal和弱引用的那些事
上面說了這么多關于引用的事，這里終于回到了主題了我們的ThreadLocal和弱引用有什么關系呢？

在我們的Thread類中有下面這個變量:

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals

ThreadLocalMap本質上也是個Map,其中Key是我們的ThreadLocal這個對象，Value就是我們在ThreadLocal中保存的值。也就是說我們的ThreadLocal保存和取對象都是通過Thread中的ThreadLocalMap來操作的，而key就是本身。在ThreadLocalMap中Entry有如下定義:

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

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

可以看見Entry是WeakReference的子類，而這個弱引用所關聯的對象正是我們的ThreadLocal這個對象。我們又回到上面的問題:

"threadlocal的key是弱引用，那么在threadlocal.get()的時候,發生GC之后，key是否是null？"

這個問題晃眼一看，弱引用嘛，還有垃圾回收那肯定是為null，這其實是不對的，因為題目說的是在做threadlocal.get()操作，證明其實還是有強引用存在的。所以key并不為null。如果我們的強引用不存在的話，那么Key就會被回收，也就是會出現我們value沒被回收，key被回收，導致value永遠存在，出現內存泄漏。這也是ThreadLocal經常會被很多書籍提醒到需要remove()的原因。

你也許會問看到很多源碼的ThreadLocal并沒有寫remove依然再用得很好呢？那其實是因為很多源碼經常是作為靜態變量存在的生命周期和Class是一樣的，而remove需要再那些方法或者對象里面使用ThreadLocal，因為方法棧或者對象的銷毀從而強引用丟失，導致內存泄漏。

3.2 FastThreadLocal
FastThreadLocal是Netty中提供的高性能本地線程副本變量工具。在Netty的io.netty.util中提供了很多牛逼的工具，后續會一一給大家介紹，這里就先說下FastThreadLocal。

FastThreadLocal有下面幾個特點:

使用數組代替ThreadLocalMap存儲數據，從而獲取更快的性能。(緩存行和一次定位，不會有hash沖突)
由于使用數組，不會出現Key回收，value沒被回收的尷尬局面，所以避免了內存泄漏。

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