ThreadLocal 主要用来提供线程局部变量，也就是变量只对当前线程可见，本文主要记录一下对于 ThreadLocal 的理解。

在多线程环境下，之所以会有并发问题，就是因为不同的线程会同时访问同一个共享变量，例如下面的形式

在上面的代码中，increase 线程和 decrease 线程会操作同一个 number 中 value，那么输出的结果是不可预测的，因为当前线程修改变量之后但是还没输出的时候，变量有可能被另外一个线程修改，下面是一种可能的情况：

一种解决方法是在 increase() 和 decrease() 方法上加上 synchronized 关键字进行同步，这种做法其实是将 value 的 赋值 和 打印 包装成了一个原子操作，也就是说两者要么同时进行，要不都不进行，中间不会有额外的操作。我们换个角度考虑问题，如果 value 只属于 increase 线程或者 decrease 线程，而不是被两个线程共享，那么也不会出现竞争问题。一种比较常见的形式就是局部（local）变量（这里排除局部变量引用指向共享对象的情况），如下所示：

不论 value 值如何改变，都不会影响到其他线程，因为在每次调用 increase 方法时，都会创建一个 value 变量，该变量只对当前调用 increase 方法的线程可见。借助于这种思想，我们可以对每个线程创建一个共享变量的副本，该副本只对当前线程可见（可以认为是线程私有的变量），那么修改该副本变量时就不会影响到其他的线程。一个简单的思路是使用 Map 存储每个变量的副本，将当前线程的 id 作为 key，副本变量作为 value 值，下面是一个实现：

但是上面的实现会存在下面的问题：

为了解决上面的问题，我们换种思路，每个线程创建一个 Map，存放当前线程中副本变量，用 CustomThreadLocal 的实例作为 key 值，下面是一个示例：

在上面的实现中，当线程消亡之后，线程中 cacheMap 也会被回收，它当中存放的副本变量也会被全部回收，并且 cacheMap 是线程私有的，不会出现多个线程同时访问一个 cacheMap 的情况。在 Java 中，ThreadLocal 类的实现就是采用的这种思想，注意只是思想，实际的实现和上面的并不一样。

Java 使用 ThreadLocal 类来实现线程局部变量模式，ThreadLocal 使用 set 和 get 方法设置和获取变量，下面是函数原型：

下面是使用 ThreadLocal 的一个完整示例：

下面是一种可能的输出：

我们看到虽然 threadLocal 是静态变量，但是每个线程都有自己的值，不会受到其他线程的影响。

ThreadLocal 的实现思想，我们在前面已经说了，每个线程维护一个 ThreadLocalMap 的映射表，映射表的 key 是 ThreadLocal 实例本身，value 是要存储的副本变量。ThreadLocal 实例本身并不存储值，它只是提供一个在当前线程中找到副本值的 key。 如下图所示：

我们从下面三个方面看下 ThreadLocal 的实现：

线程使用 ThreadLocalMap 来存储每个线程副本变量，它是 ThreadLocal 里的一个静态内部类。ThreadLocalMap 也是采用的散列表（Hash）思想来实现的，但是实现方式和 HashMap 不太一样。我们首先看下散列表的相关知识：

理想状态下，散列表就是一个包含关键字的固定大小的数组，通过使用散列函数，将关键字映射到数组的不同位置。下面是理想散列表的一个示意图：

在理想状态下，哈希函数可以将关键字均匀的分散到数组的不同位置，不会出现两个关键字散列值相同（假设关键字数量小于数组的大小）的情况。但是在实际使用中，经常会出现多个关键字散列值相同的情况（被映射到数组的同一个位置），我们将这种情况称为散列冲突。为了解决散列冲突，主要采用下面两种方式：

分离链表法
分散链表法使用链表解决冲突，将散列值相同的元素都保存到一个链表中。当查询的时候，首先找到元素所在的链表，然后遍历链表查找对应的元素。下面是一个示意图：

开放定址法
开放定址法不会创建链表，当关键字散列到的数组单元已经被另外一个关键字占用的时候，就会尝试在数组中寻找其他的单元，直到找到一个空的单元。探测数组空单元的方式有很多，这里介绍一种最简单的 -- 线性探测法。线性探测法就是从冲突的数组单元开始，依次往后搜索空单元，如果到数组尾部，再从头开始搜索（环形查找）。如下图所示：

ThreadLocalMap 中使用开放地址法来处理散列冲突，而 HashMap 中使用的分离链表法。之所以采用不同的方式主要是因为：在 ThreadLocalMap 中的散列值分散的十分均匀，很少会出现冲突。并且 ThreadLocalMap 经常需要清除无用的对象，使用纯数组更加方便。

我们知道 Map 是一种 key-value 形式的数据结构，所以在散列数组中存储的元素也是 key-value 的形式。ThreadLocalMap 使用 Entry 类来存储数据，下面是该类的定义：

Entry 将 ThreadLocal 实例作为 key，副本变量作为 value 存储起来。注意 Entry 中对于 ThreadLocal 实例的引用是一个弱引用，该引用定义在 Reference 类（WeakReference的父类）中，下面是 super(k) 最终调用的代码：

下面看一下 ThreadLocalMap 的 set 函数

关于 set 方法，有几点需要地方：

我们再看一下 getEntry （没有 get 方法，就叫 getEntry）方法：

因为 ThreadLocalMap 中采用开放定址法，所以当前 key 的散列值和元素在数组中的索引并不一定完全对应。所以在 get 的时候，首先会看 key 的散列值对应的数组元素是否为要查找的元素，如果不是，再调用 getEntryAfterMiss 方法查找后面的元素。

最后看一下删除操作。删除其实就是将 Entry 的键值设为 null，变为陈旧的 Entry。然后调用 expungeStaleEntry 清理陈旧的 Entry。

前面说完了 ThreadLocalMap，副本变量的存取操作就很好理解了。下面是 ThreadLocal 中的 set 和 get 方法的实现：

存取的基本流程就是首先获得当前线程的 ThreadLocalMap，将 ThreadLocal 实例作为键值传入 Map，然后就是进行相关的变量存取工作了。线程中的 ThreadLocalMap 是懒加载的，只有真正的要存变量时才会调用 createMap 创建，下面是 createMap 的实现：

如果想要给 ThreadLocal 的副本变量设置初始值，需要重写 initialValue 方法，如下面的形式：

当创建了一个 ThreadLocal 的实例后，它的散列值就已经确定了，下面是 ThreadLocal 中的实现：

我们看到 threadLocalHashCode 是一个常量，它通过 nextHashCode() 函数产生。nextHashCode() 函数其实就是在一个 AtomicInteger 变量（初始值为0）的基础上每次累加 0x61c88647，使用 AtomicInteger 为了保证每次的加法是原子操作。而 0x61c88647 这个就比较神奇了，它可以使 hashcode 均匀的分布在大小为 2 的 N 次方的数组里。下面写个程序测试一下: