谈谈Java引用和Threadlocal的那些事

1 背景
某一天在某一个群里面的某个群友突然提出了一个问题:"threadlocal的key是弱引用，那么在threadlocal.get()的时候,发生GC之后，key是否是null？"屏幕前的你可以好好的想想这个问题，在这里我先卖个关子，先讲讲Java中引用和ThreadLocal的那些事。

2 Java中的引用
对于很多Java初学者来说，会把引用和对象给搞混淆。下面有一段代码，

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

这里先提个问题zhangsan到底是引用还是对象呢？很多人会认为zhangsan是个对象，如果你也是这样认为的话那么再看一下下面一段代码

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

这段代码和开始的代码其实执行效果是一致的，这段代码的第一行User zhangsan，定义了zhangsan，那你认为zhangsan还是对象吗？如果你还认为的话，那么这个对象应该是什么呢？的确,zhangsan其实只是一个引用，对JVM内存划分熟悉的同学应该熟悉下面的图片:

是栈中分配的一个引用，而new User("zhangsan", 24)是在堆中分配的一个对象。而'='的作用是用来将引用指向堆中的对象的。就像你叫张三但张三是个名字而已并不是一个实际的人，他只是指向的你。

我们一般所说的引用其实都是代指的强引用，在JDK1.2之后引用不止这一种，一般来说分为四种:强引用，软引用，弱引用，虚引用。而接下来我会一一介绍这四种引用。

2.1 强引用
上面我们说过了 User zhangsan = new User("zhangsan", 24);这种就是强引用，有点类似C的指针。对强引用他的特点有下面几个:

强引用可以直接访问目标对象。
只要这个对象被强引用所关联，那么垃圾回收器都不会回收，那怕是抛出OOM异常。
容易导致内存泄漏。
2.2 软引用
在Java中使用SoftReference帮助我们定义软引用。其构造方法有两个:

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

两个构造方法相似，第二个比第一个多了一个引用队列，在构造方法中的第一个参数就是我们的实际被指向的对象，这里用新建一个SoftReference来替代我们上面强引用的等号。 下面是构造软引用的例子:

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

2.2.1软引用有什么用？
如果某个对象他只被软引用所指向，那么他将会在内存要溢出的时候被回收，也就是当我们要出现OOM的时候，如果回收了一波内存还不够，这才抛出OOM,弱引用回收的时候如果设置了引用队列，那么这个软引用还会进一次引用队列，但是引用所指向的对象已经被回收。这里要和下面的弱引用区分开来，弱引用是只要有垃圾回收，那么他所指向的对象就会被回收。下面是一个代码例子:

public static void main(String[] args) {
        ReferenceQueue<User> referenceQueue = new ReferenceQueue();
        SoftReference softReference = new SoftReference(new User("zhangsan",24), referenceQueue);
        //手动触发GC
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("手动触发GC:" + softReference.get());
        System.out.println("手动触发的队列:" + referenceQueue.poll());
        //通过堆内存不足触发GC
        makeHeapNotEnough();
        System.out.println("通过堆内存不足触发GC:" + softReference.get());
        System.out.println("通过堆内存不足触发GC:" + referenceQueue.poll());
    }

    private static void makeHeapNotEnough() {
        SoftReference softReference = new SoftReference(new byte[1024*1024*5]);
        byte[] bytes = new byte[1024*1024*5];
    }
    输出:
    手动触发GC:User{name='zhangsan', age=24}
    手动触发的队列:null
    通过堆内存不足触发GC:null
    通过堆内存不足触发GC:java.lang.ref.SoftReference@4b85612c

通过-Xmx10m设置我们堆内存大小为10，方便构造堆内存不足的情况。可以看见我们输出的情况我们手动调用System.gc并没有回收我们的软引用所指向的对象，只有在内存不足的情况下才能触发。

2.2.2软引用的应用
在SoftReference的doc中有这么一句话:

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

也就是说软引用经常用来实现内存敏感的高速缓存。怎么理解这句话呢？我们知道软引用他只会在内存不足的时候才触发，不会像强引用那用容易内存溢出，我们可以用其实现高速缓存，一方面内存不足的时候可以回收，一方面也不会频繁回收。在高速本地缓存Caffeine中实现了软引用的缓存，当需要缓存淘汰的时候，如果是只有软引用指向那么久会被回收。
2.3 弱引用
弱引用在Java中使用WeakReference来定义一个弱引用，上面我们说过他比软引用更加弱，只要发生垃圾回收，若这个对象只被弱引用指向，那么就会被回收。这里我们就不多废话了，直接上例子:

public static void main(String[] args)  {
        WeakReference weakReference = new WeakReference(new User("zhangsan",24));
        System.gc();
        System.out.println("手动触发GC:" + weakReference.get());
    }
输出结果:
手动触发GC:null

可以看见上面的例子只要垃圾回收一触发，该对象就被回收了。

2.3.1 弱引用的作用
在WeakReference的注释中写到:

Weak references are most often used to implement canonicalizing mappings.

从中可以知道弱引用更多的是用来实现canonicalizing mappings(规范化映射)。在JDK中WeakHashMap很好的体现了这个例子:

public static void main(String[] args) throws Exception {
        WeakHashMap<User, String> weakHashMap = new WeakHashMap();
        //强引用
        User zhangsan = new User("zhangsan", 24);
        weakHashMap.put(zhangsan, "zhangsan");
        System.out.println("有强引用的时候:map大小" + weakHashMap.size());
        //去掉强引用
        zhangsan = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("无强引用的时候:map大小"+weakHashMap.size());
    }
输出结果为:
有强引用的时候:map大小1
无强引用的时候:map大小0

可以看出在GC之后我们在map中的键值对就被回收了，在weakHashMap中其实只有Key是弱引用做关联的，然后通过引用队列再去对我们的map进行回收处理。

2.4 虚引用
虚引用是最弱的引用，在Java中使用PhantomReference进行定义。弱到什么地步呢？也就是你定义了虚引用根本无法通过虚引用获取到这个对象，更别谈影响这个对象的生命周期了。在虚引用中唯一的作用就是用队列接收对象即将死亡的通知。

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，获取:" + phantomReference.get());
    }
输出结果:
什么也不做，获取:null

在PhantomReference的注释中写到:

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.

虚引用得最多的就是在对象死前所做的清理操作，这是一个比Java的finalization梗灵活的机制。 在DirectByteBuffer中使用Cleaner用来回收对外内存，Cleaner是PhantomReference的子类，当DirectByteBuffer被回收的时候未防止内存泄漏所以通过这种方式进行回收，有点类似于下面的代码:

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

3 ThreadLocal
ThreadLocal是一个本地线程副本变量工具类,基本在我们的代码中随处可见。这里就不过多的介绍他了。

3.1 ThreadLocal和弱引用的那些事
上面说了这么多关于引用的事，这里终于回到了主题了我们的ThreadLocal和弱引用有什么关系呢？

在我们的Thread类中有下面这个变量:

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals

ThreadLocalMap本质上也是个Map,其中Key是我们的ThreadLocal这个对象，Value就是我们在ThreadLocal中保存的值。也就是说我们的ThreadLocal保存和取对象都是通过Thread中的ThreadLocalMap来操作的，而key就是本身。在ThreadLocalMap中Entry有如下定义:

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

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

可以看见Entry是WeakReference的子类，而这个弱引用所关联的对象正是我们的ThreadLocal这个对象。我们又回到上面的问题:

"threadlocal的key是弱引用，那么在threadlocal.get()的时候,发生GC之后，key是否是null？"

这个问题晃眼一看，弱引用嘛，还有垃圾回收那肯定是为null，这其实是不对的，因为题目说的是在做threadlocal.get()操作，证明其实还是有强引用存在的。所以key并不为null。如果我们的强引用不存在的话，那么Key就会被回收，也就是会出现我们value没被回收，key被回收，导致value永远存在，出现内存泄漏。这也是ThreadLocal经常会被很多书籍提醒到需要remove()的原因。

你也许会问看到很多源码的ThreadLocal并没有写remove依然再用得很好呢？那其实是因为很多源码经常是作为静态变量存在的生命周期和Class是一样的，而remove需要再那些方法或者对象里面使用ThreadLocal，因为方法栈或者对象的销毁从而强引用丢失，导致内存泄漏。

3.2 FastThreadLocal
FastThreadLocal是Netty中提供的高性能本地线程副本变量工具。在Netty的io.netty.util中提供了很多牛逼的工具，后续会一一给大家介绍，这里就先说下FastThreadLocal。

FastThreadLocal有下面几个特点:

使用数组代替ThreadLocalMap存储数据，从而获取更快的性能。(缓存行和一次定位，不会有hash冲突)
由于使用数组，不会出现Key回收，value没被回收的尴尬局面，所以避免了内存泄漏。

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