ThreadLocal内存泄漏与解决

目录

什么是Threadlocal？

Threadlocal的基本使用

ThreadLocal的内存泄漏举例

场景1

场景2

场景3

场景4

内存泄漏原因分析

总结

什么是Threadlocal？

   ThreadLocal 是 Java 中的一个类，它提供了线程本地变量的支持。线程本地变量是指被线程拥有并独立于其他线程的变量。每个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其他线程的副本。ThreadLocal 主要用于在多线程环境下保持变量的线程封闭性，以实现线程安全。

Threadlocal的基本使用

1. set(T value)

用于设置当前线程的线程本地变量的值。

参数 value 是要设置的值。

ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
threadLocal.set("Hello, ThreadLocal!");

 2. get()

用于获取当前线程的线程本地变量的值。

ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
String value = threadLocal.get();

3. remove()

用于移除当前线程的线程本地变量。

在一些情况下，手动调用 remove() 可以帮助避免内存泄漏。

ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
threadLocal.remove();

 4. initialValue()

该方法是一个 protected 方法，可以被子类重写以提供线程本地变量的初始值。默认情况下，initialValue() 返回 null。

通常情况下，我们会通过 ThreadLocal 的子类并重写 initialValue() 方法来设定线程本地变量的初始值。

public class MyThreadLocal extends ThreadLocal<String> {
    @Override
    protected String initialValue() {
        return "Default Value";
    }
}

// 使用自定义的 MyThreadLocal
MyThreadLocal myThreadLocal = new MyThreadLocal();
String value = myThreadLocal.get();  // 返回 "Default Value"

 上述方法综合使用如下：

public class ThreadLocalExample {

    // 创建一个 ThreadLocal 实例
    private static final ThreadLocal<String> threadLocalValue = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 在主线程设置值
        threadLocalValue.set("Main Thread Value");

        // 创建两个子线程
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            // 在子线程1获取值
            String value = threadLocalValue.get();
            System.out.println("Thread 1: " + value); // 输出：Thread 1: null
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            // 在子线程2设置值
            threadLocalValue.set("Thread 2 Value");

            // 在子线程2获取值
            String value = threadLocalValue.get();
            System.out.println("Thread 2: " + value); // 输出：Thread 2: Thread 2 Value
        });

        // 启动子线程
        thread1.start();
        thread2.start();

        // 在主线程获取值
        String mainThreadValue = threadLocalValue.get();
        System.out.println("Main Thread: " + mainThreadValue); // 输出：Main Thread: Main Thread Value

        // 清理主线程的值
        threadLocalValue.remove();
    }
}

       在上述案例中可以看出，每个线程中的Threadlocal变量都是独立的副本。ThreadLocal 提供了一种在多线程环境下安全地存储和访问线程本地变量的机制。每个线程都可以独立地对其进行操作，互不干扰。

ThreadLocal的内存泄漏举例

场景1

任务中不执行任何有意义的代码

//  将堆内存大小设置为-Xmx256m
public class ThreadLocalMemoryLeak {
    private static final int TASK_LOOP_SIZE = 500;

    /*线程池*/
    final static ThreadPoolExecutor poolExecutor
            = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 1,
            TimeUnit.MINUTES,
            new LinkedBlockingQueue<>());

    static class LocalVariable {
        private byte[] a = new byte[1024*1024*5];/*5M大小的数组*/
    }

    ThreadLocal<LocalVariable> threadLocalLV;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < TASK_LOOP_SIZE; ++i) {
            poolExecutor.execute(new Runnable() {
                public void run() {
//                    LocalVariable localVariable = new LocalVariable();
//                    ThreadLocalMemoryLeak oom = new ThreadLocalMemoryLeak();
//                    oom.threadLocalLV = new ThreadLocal<>();
//                    oom.threadLocalLV.set(new LocalVariable());
//                    oom.threadLocalLV.remove();
                    System.out.println("use local varaible");

                }
            });
        }
        System.out.println("pool execute over");
    }

}

执行后，我们通过cmd输入jvisualvm启动java性能监控工具(jdk自带)，查看当前的性能消耗情况。

查看内存会发现内存消耗稳定在25MB左右。

场景2

在每个任务中new出一个数组，执行完成后我们可以看见，内存占用基本和场景1同

public class ThreadLocalMemoryLeak {
    private static final int TASK_LOOP_SIZE = 500;

    /*线程池*/
    final static ThreadPoolExecutor poolExecutor
            = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 1,
            TimeUnit.MINUTES,
            new LinkedBlockingQueue<>());

    static class LocalVariable {
        private byte[] a = new byte[1024*1024*5];/*5M大小的数组*/
    }

    ThreadLocal<LocalVariable> threadLocalLV;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < TASK_LOOP_SIZE; ++i) {
            poolExecutor.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    LocalVariable localVariable = new LocalVariable();
//                    ThreadLocalMemoryLeak oom = new ThreadLocalMemoryLeak();
//                    oom.threadLocalLV = new ThreadLocal<>();
//                    oom.threadLocalLV.set(new LocalVariable());
//                    oom.threadLocalLV.remove();
                    System.out.println("use local varaible");

                }
            });
        }
        System.out.println("pool execute over");
    }

}

启动后内存使用情况如下

 我们可以看到有毛刺现象，这是因为GC造成的，但是没有出现内存泄漏的情况。

场景3

启用Threadlocal

public class ThreadLocalMemoryLeak {
    private static final int TASK_LOOP_SIZE = 500;

    /*线程池*/
    final static ThreadPoolExecutor poolExecutor
            = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 1,
            TimeUnit.MINUTES,
            new LinkedBlockingQueue<>());

    static class LocalVariable {
        private byte[] a = new byte[1024*1024*5];/*5M大小的数组*/
    }

    ThreadLocal<LocalVariable> threadLocalLV;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < TASK_LOOP_SIZE; ++i) {
            poolExecutor.execute(new Runnable() {
                public void run() {
//                    LocalVariable localVariable = new LocalVariable();
                    ThreadLocalMemoryLeak oom = new ThreadLocalMemoryLeak();
                    oom.threadLocalLV = new ThreadLocal<>();
                    oom.threadLocalLV.set(new LocalVariable());
//                    oom.threadLocalLV.remove();
                    System.out.println("use local varaible");

                }
            });
            Thread.sleep(100);
        }
        System.out.println("pool execute over");
    }

}

启动后内存使用情况如下

占用内存情况在100MB-125MB左右。

场景4

手动调用remove清除threadlocal，执行查看内存情况。

public class ThreadLocalMemoryLeak {
    private static final int TASK_LOOP_SIZE = 500;

    /*线程池*/
    final static ThreadPoolExecutor poolExecutor
            = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 1,
            TimeUnit.MINUTES,
            new LinkedBlockingQueue<>());

    static class LocalVariable {
        private byte[] a = new byte[1024*1024*5];/*5M大小的数组*/
    }

    ThreadLocal<LocalVariable> threadLocalLV;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < TASK_LOOP_SIZE; ++i) {
            poolExecutor.execute(new Runnable() {
                public void run() {
//                    LocalVariable localVariable = new LocalVariable();
                    ThreadLocalMemoryLeak oom = new ThreadLocalMemoryLeak();
                    oom.threadLocalLV = new ThreadLocal<>();
                    oom.threadLocalLV.set(new LocalVariable());
                    oom.threadLocalLV.remove();
                    System.out.println("use local varaible");

                }
            });
            Thread.sleep(100);
        }
        System.out.println("pool execute over");
    }

}

启动后内存使用情况如下

此时内存使用情况跟场景1相同。 

总结：通过以上场景3，我们可以得出在启用了threadlocal以后发生了内存泄漏。

内存泄漏原因分析

        每一个Thread线程都维护了一个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。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。

        图中虚线表示弱引用。

        当把 threadlocal 变量置为 null 以后，没有任何强引用指向 threadlocal 实例，所以 threadlocal将会被gc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，而这块value永远不会被访问到了，所以存在着内存泄露。

       只有当前线程结束后，线程就不会在栈中，强引用断开，才会被GC回收掉。解决内存泄漏做法是当不使用线程中threadlocal变量时及时remove清除数据。

       场景3中，虽然线程池里面的任务执行完毕了，但是线程池里面的5个线程会一直存在直到JVM退出，我们set了线程的localVariable变量后没有调用 localVariable.remove()方法，导致线程池里面的5个线程的threadLocals变量里面的new LocalVariable()实例没有被释放。当我们手动再每次都调用remove清除数据时，内存正常。

      ThreadLocal的实现中，无论是get()、set()在某些时候，调用了expungeStaleEntry方法用来清除Entry中Key为null的Value，但是这是不及时的，也不是每次都会执行的，所以一些情况下还是会发生内存泄露。 只有 remove()方法中显式调用了expungeStaleEntry 方法。

总结

       JVM利用设置ThreadLocalMap的Key为弱引用，来避免内存泄露。

       JVM 利用调用remove、get、set方法的时候，回收弱引用。

       当ThreadLocal存储很多Key为 null的Entry的时候，而不再去调用 remove、 get、set 方法，那么将导致内存泄漏。

        使用线程池+ ThreadLocal 时要多注意，这种情况下，线程是一直在不断的重复运行的，从而也就造成了value可能造成累积的情况。

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