java-thread-threadlocal-race-condition

多執行緒問題

在 Java 的多執行緒環境中，如果多個執行緒同時讀寫同一個變數（共享變數），會導致：

• 資料競爭（Race Condition）：執行緒之間的操作彼此干擾，產生不可預期的錯誤
• 執行緒不安全：結果錯誤，甚至引發例外

解決方案

解法	原理	特性
同步鎖 synchronized, ReentrantLock	用鎖來保護共享變數，只允許一個執行緒存取	保證資料一致性
ThreadLocal 執行緒局部變數	每個執行緒都有自己獨立的一份變數	無需加鎖、效能好、天然執行緒安全

ThreadLocal 核心方法

1. set(T value)

• 將值設置到目前執行緒的 ThreadLocalMap 裡
• 每個執行緒呼叫 set()，都只影響自己的資料

threadLocal.set("Alice");

2. get()

• 取得目前執行緒儲存的值
• 取得的是目前執行緒自己儲存的資料，與其他執行緒互不干擾

String value = threadLocal.get();

3. remove()

• 移除目前執行緒對應的資料，防止記憶體洩漏
• 特別重要在執行緒池中，因為執行緒會被重複使用
• 移除後，該執行緒對 get() 會回傳 null，或下次會重新初始化（若有使用 withInitial()）

threadLocal.remove();

記憶體洩露機制

底層結構

• ThreadLocal 內部使用 ThreadLocalMap 儲存資料
• ThreadLocalMap 是 Thread 類別的一個成員變數
• ThreadLocalMap 使用 ThreadLocal 物件作為 key，使用者資料作為 value

Entry 的實現

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    Object value;
    
    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);  // 將 ThreadLocal 作為弱引用
        value = v; // value 是強引用
    }
}

• Entry 繼承 WeakReference，所以 key（ThreadLocal）是弱引用
• 但 value 是直接作為 Entry 的成員變數，形成強引用
• 即使 key 被回收，value 仍然被 Entry 強引用著
• 只有當 Entry 被回收時，value 才會被回收

洩露原因

1. 強引用鏈

   • Thread -> ThreadLocalMap -> Entry[] -> Entry
   • Entry 繼承自 WeakReference
   • 但 Entry 的 value 是強引用

2. Thread 生命週期

   • 執行緒池中的 Thread 會被重複使用
   • Thread 存活期間，ThreadLocalMap 不會被回收
   • 即使 ThreadLocal 被回收，value 仍被 Entry 強引用

3. 弱引用失效

   • ThreadLocal 被回收後，key 變為 null
   • 但 value 仍被強引用，無法被回收
   • 造成記憶體洩露

解決方案

1. 主動清理

   • 使用完 ThreadLocal 後呼叫 remove()
   • 特別在執行緒池環境中必須執行

2. 使用 try-finally

try {
    threadLocal.set(value);
    // 業務邏輯
} finally {
    threadLocal.remove();
}

3. 使用 ThreadLocal 的 withInitial()
   • 提供初始值
   • 避免 null 值問題
   • 但仍需手動 remove()

結果收集方式

雖然變數存在 ThreadLocal 裡，但我們可以讓每個執行緒完成任務後，把結果放回一個共用的容器中（通常是執行緒安全的集合、佇列、或用回傳值的方式）：

1. 用 Future 或 Callable 回傳每個執行緒的結果
2. 每個執行緒將結果存入執行緒安全的集合：ConcurrentLinkedQueue、ConcurrentMap