線程池如何傳遞ThreadLocal

前言

在作分佈式鏈路追蹤系統的時候，須要解決異步調用透傳上下文的需求，特別是傳遞traceId，本文就線程池透傳幾種方式進行分析。

其餘典型場景例子：

1. 分佈式跟蹤系統 或 全鏈路壓測（即鏈路打標）

2. 日誌收集記錄系統上下文

3. Session級Cache

4. 應用容器或上層框架跨應用代碼給下層SDK傳遞信息

一、JDK對跨線程傳遞ThreadLocal的支持

首先看一個最簡單場景，也是一個錯誤的例子。

void testThreadLocal(){
        ThreadLocal<Object> threadLocal = new ThreadLocal<>();
        threadLocal.set("not ok");
        new Thread(()->{
            System.out.println(threadLocal.get());
        }).start();
    }

java中的threadlocal，是綁定在線程上的。你在一個線程中set的值，在另一個線程是拿不到的。

上面的輸出是:

null

1.1 InheritableThreadLocal 例子

JDK考慮了這種場景，實現了InheritableThreadLocal ,不要高興太早,這個只是支持父子線程，線程池會有問題。

咱們看下InheritableThreadLocal的例子：

InheritableThreadLocal<String> itl = new InheritableThreadLocal<>();
        itl.set("father");
        new Thread(()->{
            System.out.println("subThread:" + itl.get());
            itl.set("son");
            System.out.println(itl.get());
        }).start();

        Thread.sleep(500);//等待子線程執行完

        System.out.println("thread:" + itl.get());

上面的輸出是：

subThread:father //子線程能夠拿到父線程的變量

son

thread:father //子線程修改不影響父線程的變量

1.2 InheritableThreadLocal的實現原理

有同窗可能想知道InheritableThreadLocal的實現原理，其實特別簡單。就是Thread類裏面分開記錄了ThreadLocal、InheritableThreadLocal的ThreadLocalMap，初始化的時候，會拿到parent.InheritableThreadLocal。直接上代碼能夠看的很清楚。

class Thread {
	...
    /* 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;
  
  ...
  
  if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
    this.inheritableThreadLocals =
    ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
}

JDK的InheritableThreadLocal類能夠完成父線程到子線程的值傳遞。但對於使用線程池等會池化複用線程的執行組件的狀況，線程由線程池建立好，而且線程是池化起來反覆使用的；這時父子線程關係的ThreadLocal值傳遞已經沒有意義，應用須要的其實是把 任務提交給線程池時的ThreadLocal值傳遞到 任務執行時。

二、日誌MDC/Opentracing的實現

若是你的應用實現了Opentracing的規範，好比經過skywalking的agent對線程池作了攔截，那麼自定義Scope實現類，能夠跨線程傳遞MDC，而後你的義務能夠經過設置MDC的值，傳遞給子線程。

代碼以下：

this.scopeManager = scopeManager;
        this.wrapped = wrapped;
        this.finishOnClose = finishOnClose;
        this.toRestore = (OwlThreadLocalScope)scopeManager.tlsScope.get();
        scopeManager.tlsScope.set(this);
        if (wrapped instanceof JaegerSpan) {
            this.insertMDC(((JaegerSpan)wrapped).context());
        } else if (wrapped instanceof JaegerSpanWrapper) {
            this.insertMDC(((JaegerSpanWrapper)wrapped).getDelegated().context());
        }

三、阿里transmittable-thread-local

github地址：https://github.com/alibaba/transmittable-thread-local

TransmittableThreadLocal（TTL）是框架/中間件缺乏的Java™std lib（簡單和0依賴），提供了加強的InheritableThreadLocal，即便使用線程池組件也能夠在線程之間傳輸值。

3.1 transmittable-thread-local 官方readme參考：

使用類TransmittableThreadLocal來保存值，並跨線程池傳遞。

TransmittableThreadLocal繼承InheritableThreadLocal，使用方式也相似。相比InheritableThreadLocal，添加了

1. copy方法
   用於定製 任務提交給線程池時 的ThreadLocal值傳遞到 任務執行時 的拷貝行爲，缺省傳遞的是引用。
   注意：若是跨線程傳遞了對象引用由於再也不有線程封閉，與InheritableThreadLocal.childValue同樣，使用者/業務邏輯要注意傳遞對象的線程

2. protected的beforeExecute/afterExecute方法
   執行任務(Runnable/Callable)的前/後的生命週期回調，缺省是空操做。

3.2 transmittable-thread-local 代碼例子

方式一：TtlRunnable封裝：

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
TransmittableThreadLocal<String> context = new TransmittableThreadLocal<>();

// =====================================================
// 在父線程中設置
context.set("value-set-in-parent");

// 額外的處理，生成修飾了的對象ttlRunnable
Runnable ttlRunnable = TtlRunnable.get(() -> {
    System.out.println(context.get());
});
executorService.submit(ttlRunnable);

方式二：ExecutorService封裝：

ExecutorService executorService = ...
// 額外的處理，生成修飾了的對象executorService
executorService = TtlExecutors.getTtlExecutorService(executorService);

方式三：使用java agent，無代碼入侵

這種方式，實現線程池的傳遞是透明的，業務代碼中沒有修飾Runnable或是線程池的代碼。便可以作到應用代碼 無侵入。

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
TransmittableThreadLocal<String> context = new TransmittableThreadLocal<>();
// =====================================================
// 在父線程中設置
context.set("value-set-in-parent");

executorService.submit(() -> {
    System.out.println(context.get());
});

四、grpc的實現

grpc是一種分佈式調用協議和實現，也封裝了一套跨線程傳遞上下文的實現。

io.grpc.Context 表示上下文，用來在一次grpc請求鏈路中傳遞用戶登陸信息、tracing信息等。

Context經常使用用法以下。首先獲取當前context,這個通常是做爲參數傳過來的，或經過current()獲取當前的已有context。

而後經過attach方法，綁定到當前線程上，而且返回當前線程

public Runnable wrap(final Runnable r) {
        return new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Context previous = attach();
                try {
                    r.run();
                } finally {
                    detach(previous);
                }
            }
        };
    }

Context的主要方法以下

• attach() attach Context本身，從而進入到一個新的scope中，新的scope以此Context實例做爲current，而且返回以前的current context
• detach(Context toDetach) attach()方法的反向方法，退出當前Context而且detach到toDetachContext，每一個attach方法要對應一個detach，因此通常經過try finally代碼塊或wrap模板方法來使用。
• static storage() 獲取storage，Storage是用來attach和detach當前context用的。

線程池傳遞實現：

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
Context.withValue("key","value");

execute(Context.current().wrap(() -> {
            System.out.println(Context.current().getValue("key"));
        }));

五、總結

以上總結的四種實現跨線程傳遞的方法，最簡單的就是本身定義一個Runnable，添加屬性傳遞便可。若是考慮通用型，須要中間件封裝一個Executor對象，相似transmittable-thread-local的實現，或者直接使用transmittable-thread-local。

實踐的項目中，考慮周全，要支持span、MDC、rpc上下文、業務自定義上下文，能夠參考以上方法封裝。

參考資料

[grpc源碼分析1-context] https://www.codercto.com/a/66559.html

[threadlocal變量透傳，這些問題你都遇到過嗎？]https://cloud.tencent.com/developer/article/1492379

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