ThreadLocal父子线程传递实现方案

前言

介绍InheritableThreadLocal之前，假设对 ThreadLocal 已经有了一定的理解，比如基本概念，原理，如果没有，可以参考：ThreadLocal源码分析解密.在讲解之前我们先列举有关ThreadLocal的几个关键点

每一个Thread线程都有属于自己的ThreadLocalMap,里面有一个弱引用的Entry(ThreadLocal,Object),如下

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

从ThreadLocal中get值的时候,首先通过Thread.currentThread得到当前线程，然后拿到这个线程的ThreadLocalMap。再传递当前ThreadLocal对象（结合上一点）。取得Entry中的value值
set值的时候同理，更改的是当先线程的ThreadLocalMap中Entry中key为当前Threadlocal对象的value值

Threadlocal bug？

如果子线程想要拿到父线程的中的ThreadLocal值怎么办呢？比如会有以下的这种代码的实现。由于ThreadLocal的实现机制,在子线程中get时,我们拿到的Thread对象是当前子线程对象,那么他的ThreadLocalMap是null的,所以我们得到的value也是null。

final ThreadLocal threadLocal=new ThreadLocal(){
            @Override
            protected Object initialValue() {
                return "xiezhaodong";
            }
        };
 new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                threadLocal.get();//NULL
            }
        }).start();

InheritableThreadLocal实现

那其实很多时候我们是有子线程获得父线程ThreadLocal的需求的,要如何解决这个问题呢？这就是InheritableThreadLocal这个类所做的事情。先来看下InheritableThreadLocal所做的事情。

public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
   
    protected T childValue(T parentValue) {
        return parentValue;
    }

    /**
     * 重写Threadlocal类中的getMap方法，在原Threadlocal中是返回
     *t.theadLocals，而在这么却是返回了inheritableThreadLocals，因为
     * Thread类中也有一个要保存父子传递的变量
     */
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
       return t.inheritableThreadLocals;
    }

    /**
     * 同理，在创建ThreadLocalMap的时候不是给t.threadlocal赋值
     *而是给inheritableThreadLocals变量赋值
     * 
     */
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

以上代码大致的意思就是，如果你使用InheritableThreadLocal,那么保存的所有东西都已经不在原来的t.thradLocals里面，而是在一个新的t.inheritableThreadLocals变量中了。下面是Thread类中两个变量的定义

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
    * by the ThreadLocal class. */
   ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

   /*
    * InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is
    * maintained by the InheritableThreadLocal class.
    */
   ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

Q：InheritableThreadLocal是如何实现在子线程中能拿到当前父线程中的值的呢？
A：一个常见的想法就是把父线程的所有的值都copy到子线程中。
下面来看看在线程new Thread的时候线程都做了些什么？

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                     long stackSize, AccessControlContext acc) {
       //省略上面部分代码
       if (parent.inheritableThreadLocals != null)
       //这句话的意思大致不就是，copy父线程parent的map，创建一个新的map赋值给当前线程的inheritableThreadLocals。
           this.inheritableThreadLocals =
               ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
      //ignore
   }

而且，在copy过程中是浅拷贝，key和value都是原来的引用地址

private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
           Entry[] parentTable = parentMap.table;
           int len = parentTable.length;
           setThreshold(len);
           table = new Entry[len];
           for (int j = 0; j < len; j++) {
               Entry e = parentTable[j];
               if (e != null) {
                   ThreadLocal key = e.get();
                   if (key != null) {
                       Object value = key.childValue(e.value);
                       Entry c = new Entry(key, value);
                       int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
                       while (table[h] != null)
                           h = nextIndex(h, len);
                       table[h] = c;
                       size++;
                   }
               }
           }
       }

恩，到了这里，大致的解释了一下InheritableThreadLocal为什么能解决父子线程传递Threadlcoal值的问题。

在创建InheritableThreadLocal对象的时候赋值给线程的t.inheritableThreadLocals变量
在创建新线程的时候会check父线程中t.inheritableThreadLocals变量是否为null，如果不为null则copy一份ThradLocalMap到子线程的t.inheritableThreadLocals成员变量中去
因为复写了getMap(Thread)和CreateMap()方法,所以get值得时候，就可以在getMap(t)的时候就会从t.inheritableThreadLocals中拿到map对象，从而实现了可以拿到父线程ThreadLocal中的值

so,在最开始的代码示例中，如果把ThreadLocal对象换成InheritableThreadLocal对象，那么get到的字符会是“xiezhaodong”而不是NULL

InheritableThreadLocal还有问题吗？

问题场景

我们在使用线程的时候往往不会只是简单的new Thrad对象，而是使用线程池，当然线程池的好处多多。这里不详解，既然这里提出了问题，那么线程池会给InheritableThreadLocal带来什么问题呢？我们列举一下线程池的特点：

为了减小创建线程的开销，线程池会缓存已经使用过的线程
生命周期统一管理,合理的分配系统资源

对于第一点，如果一个子线程已经使用过，并且会set新的值到ThreadLocal中，那么第二个task提交进来的时候还能获得父线程中的值吗？比如下面这种情况(虽然是线程，用sleep尽量让他们串行的执行):

final InheritableThreadLocal<Span> inheritableThreadLocal = new InheritableThreadLocal<Span>();
      inheritableThreadLocal.set(new Span("xiexiexie"));
      //输出 xiexiexie
      Object o = inheritableThreadLocal.get();
      Runnable runnable = new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
              System.out.println("========");
              inheritableThreadLocal.get();
              inheritableThreadLocal.set(new Span("zhangzhangzhang");
              inheritableThreadLocal.get();
          }
      };
  
      ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
      executorService.submit(runnable);
      TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
      executorService.submit(runnable);
      TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
      System.out.println("========");
      Span span = inheritableThreadLocal.get();
  }
  static class Span {
      public String name;
      public int age;
      public Span(String name) {
          this.name = name;
      }
  }

输出的会是

xiexiexie
 ========
xiexiexie
zhangzhangzhang
 ========
zhangzhangzhang
zhangzhangzhang
 ========
xiexiexie

造成这个问题的原因是什么呢，下图大致讲解一下整个过程的变化情况，如图所示，由于B任务提交的时候使用了，A任务的缓存线程，A缓存线程的InheritableThreadLocal中的value已经被更新成了”zhangzhangzhang“。B任务在代码内获得值的时候，直接从t.InheritableThreadLocal中获得值，所以就获得了线程A中心设置的值，而不是父线程中InheritableThreadLocal的值。

so，InheritableThreadLocal还是不能够解决线程池当中获得父线程中ThreadLocal中的值。

造成问题的原因

那么造成这个问题的原因是什么呢？如何让任务之间使用缓存的线程不受影响呢？实际原因是，我们的线程在执行完毕的时候并没有清除ThreadLocal中的值，导致后面的任务重用现在的localMap。

解决方案

如果我们能够，在使用完这个线程的时候清除所有的localMap，在submit新任务的时候在重新重父线程中copy所有的Entry。然后重新给当前线程的t.inhertableThreadLocal赋值。这样就能够解决在线程池中每一个新的任务都能够获得父线程中ThreadLocal中的值而不受其他任务的影响，因为在生命周期完成的时候会自动clear所有的数据。Alibaba的一个库解决了这个问题github:alibaba/transmittable-thread-local

transmittable-thread-local实现原理

如何使用

这个库最简单的方式是这样使用的,通过简单的修饰，使得提交的runable拥有了上一节所述的功能。具体的API文档详见github，这里不再赘述

TransmittableThreadLocal<String> parent = new TransmittableThreadLocal<String>();
parent.set("value-set-in-parent");

Runnable task = new Task("1");
// 额外的处理，生成修饰了的对象ttlRunnable
Runnable ttlRunnable = TtlRunnable.get(task); 
executorService.submit(ttlRunnable);

// Task中可以读取, 值是"value-set-in-parent"
String value = parent.get();

原理简述

这个方法TtlRunnable.get(task)最终会调用构造方法，返回的是该类本身，也是一个Runable,这样就完成了简单的装饰。最重要的是在run方法这个地方。

public final class TtlRunnable implements Runnable {
    private final AtomicReference<Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object>> copiedRef;
    private final Runnable runnable;
    private final boolean releaseTtlValueReferenceAfterRun;

    private TtlRunnable(Runnable runnable, boolean releaseTtlValueReferenceAfterRun) {
    //从父类copy值到本类当中
        this.copiedRef = new AtomicReference<Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object>>(TransmittableThreadLocal.copy());
        this.runnable = runnable;//提交的runable,被修饰对象
        this.releaseTtlValueReferenceAfterRun = releaseTtlValueReferenceAfterRun;
    }
    /**
     * wrap method {@link Runnable#run()}.
     */
    @Override
    public void run() {
        Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object> copied = copiedRef.get();
        if (copied == null || releaseTtlValueReferenceAfterRun && !copiedRef.compareAndSet(copied, null)) {
            throw new IllegalStateException("TTL value reference is released after run!");
        }
        //装载到当前线程
        Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object> backup = TransmittableThreadLocal.backupAndSetToCopied(copied);
        try {
            runnable.run();//执行提交的task
        } finally {
        //clear
            TransmittableThreadLocal.restoreBackup(backup);
        }
    }
}

在上面的使用线程池的例子当中，如果换成这种修饰的方式进行操作，B任务得到的肯定是父线程中ThreadLocal的值，解决了在线程池中InheritableThreadLocal不能解决的问题。

更新父线程ThreadLocal值？

如果线程之间出了要能够得到父线程中的值，同时想更新值怎么办呢？在前面我们有提到，当子线程copy父线程的ThreadLocalMap的时候是浅拷贝的,代表子线程Entry里面的value都是指向的同一个引用，我们只要修改这个引用的同时就能够修改父线程当中的值了,比如这样:

@Override
          public void run() {
              System.out.println("========");
              Span span=  inheritableThreadLocal.get();
              System.out.println(span);
              span.name="liuliuliu";//修改父引用为liuliuliu
              inheritableThreadLocal.set(new Span("zhangzhangzhang"));
              System.out.println(inheritableThreadLocal.get());
          }

这样父线程中的值就会得到更新了。能够满足父线程ThreadLocal值的实时更新，同时子线程也能共享父线程的值。不过场景倒是不是很常见的样子。