執行緒池如何傳遞ThreadLocal-有解無憂

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前言

在做分布式鏈路追蹤系統的時候，需要解決異步呼叫透傳背景關系的需求，特別是傳遞traceId，本文就執行緒池透傳幾種方式進行分析，

其他典型場景例子：

分布式跟蹤系統或全鏈路壓測（即鏈路打標）
日志收集記錄系統背景關系
Session級Cache
應用容器或上層框架跨應用代碼給下層SDK傳遞資訊

1、JDK對跨執行緒傳遞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，是系結在執行緒上的，你在一個執行緒中set的值，在另外一個執行緒是拿不到的，

上面的輸出是:

null

1.1 InheritableThreadLocal 例子

JDK考慮了這種場景，實作了InheritableThreadLocal ,不要高興太早,這個只是支持父子執行緒，執行緒池會有問題，

我們看下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);//等待子執行緒執行完

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

上面的輸出是：

subThread:father //子執行緒可以拿到父執行緒的變數

son

thread:father //子執行緒修改不影響父執行緒的變數

1.2 InheritableThreadLocal的實作原理

有同學可能想知道InheritableThreadLocal的實作原理，其實特別簡單，就是Thread類里面分開記錄了ThreadLocal、InheritableThreadLocal的ThreadLocalMap，初始化的時候，會拿到parent.InheritableThreadLocal，直接上代碼可以看的很清楚，

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類可以完成父執行緒到子執行緒的值傳遞，但對于使用執行緒池等會池化復用執行緒的執行組件的情況，執行緒由執行緒池創建好，并且執行緒是池化起來反復使用的；這時父子執行緒關系的ThreadLocal值傳遞已經沒有意義，應用需要的實際上是把 任務提交給執行緒池時的ThreadLocal值傳遞到 任務執行時，

2、日志MDC/Opentracing的實作

如果你的應用實作了Opentracing的規范，比如通過skywalking的agent對執行緒池做了攔截，那么自定義Scope實作類，可以跨執行緒傳遞MDC，然后你的義務可以通過設定MDC的值，傳遞給子執行緒，

代碼如下：

        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());
        }

3、阿里transmittable-thread-local

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

TransmittableThreadLocal（TTL）是框架/中間件缺少的Java?std lib（簡單和0依賴），提供了增強的InheritableThreadLocal，即使使用執行緒池組件也可以在執行緒之間傳輸值，

3.1 transmittable-thread-local 官方readme參考：

使用類TransmittableThreadLocal來保存值，并跨執行緒池傳遞，

TransmittableThreadLocal繼承InheritableThreadLocal，使用方式也類似，相比InheritableThreadLocal，添加了

copy方法
用于定制 任務提交給執行緒池時 的ThreadLocal值傳遞到 任務執行時 的拷貝行為，預設傳遞的是參考，
注意：如果跨執行緒傳遞了物件參考因為不再有執行緒封閉，與InheritableThreadLocal.childValue一樣，使用者/業務邏輯要注意傳遞物件的執行緒
protected的beforeExecute/afterExecute方法
執行任務(Runnable/Callable)的前/后的生命周期回呼，預設是空操作，

3.2 transmittable-thread-local 代碼例子

方式一：TtlRunnable封裝：

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

// =====================================================
// 在父執行緒中設定
context.set("value-set-in-parent");

// 額外的處理，生成修飾了的物件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，生成修飾了的物件executorService
executorService = TtlExecutors.getTtlExecutorService(executorService);

方式三：使用java agent，無代碼入侵

這種方式，實作執行緒池的傳遞是透明的，業務代碼中沒有修飾Runnable或是執行緒池的代碼，即可以做到應用代碼 無侵入，

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
TransmittableThreadLocal<String> context = new TransmittableThreadLocal<>();
// =====================================================
// 在父執行緒中設定
context.set("value-set-in-parent");

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

4、grpc的實作

grpc是一種分布式呼叫協議和實作，也封裝了一套跨執行緒傳遞背景關系的實作，

io.grpc.Context 表示背景關系，用來在一次grpc請求鏈路中傳遞用戶登錄資訊、tracing資訊等，

Context常用用法如下，首先獲取當前context,這個一般是作為引數傳過來的，或通過current()獲取當前的已有context，

然后通過attach方法，系結到當前執行緒上，并且回傳當前執行緒

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

Context的主要方法如下

attach() attach Context自己，從而進入到一個新的scope中，新的scope以此Context實體作為current，并且回傳之前的current context
detach(Context toDetach) attach()方法的反向方法，退出當前Context并且detach到toDetachContext，每個attach方法要對應一個detach，所以一般通過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，

執行緒池傳遞實作：

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

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

5、總結

以上總結的四種實作跨執行緒傳遞的方法，最簡單的就是自己定義一個Runnable，添加屬性傳遞即可，如果考慮通用型，需要中間件封裝一個Executor物件，類似transmittable-thread-local的實作，或者直接使用transmittable-thread-local，

實踐的專案中，考慮周全，要支持span、MDC、rpc背景關系、業務自定義背景關系，可以參考以上方法封裝，

參考資料

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

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

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