TransmittableThreadLocal 源碼解析

1、介紹

TransmittableThreadLocal（TTL） 是 Alibaba 開源的，用于解決在使用線程池等會池化復用線程的組件情況下，提供 ThreadLocal 值的傳遞功能，解決異步執行時上下文傳遞的問題。TransmittableThreadLocal 需要配合 TTL 提供的 TtlExecutors、TtlRunnable 和 TtlCallable使用，也可以使用 Java Agent 無侵入式實現線程池的傳遞。

2、使用場景

  • 調用鏈中的 traceId 傳遞
  • 框架層封裝的業務工具在業務線程池中傳遞
  • Slf4j 日志框架中 MDC 傳遞

3、TTL 執行流程

TTL 執行流程.png

4、源碼解析

TransmittableThreadLocal 繼承于 InheritableThreadLocal，并擁有了 InheritableThreadLocal 對子線程傳遞上下文的特性，只需解決線程池上下文傳遞問題。

4.1、項目結構

TTL 項目結構.png

4.2、核心部分源碼

在 TransmittableThreadLocal 中，定義了一個全局靜態變量 holder，用于存儲使用 TransmittableThreadLocal set 的上下文。

private static InheritableThreadLocal<Map<TransmittableThreadLocal<?>, ?>> holder =
            new InheritableThreadLocal<Map<TransmittableThreadLocal<?>, ?>>() {
                protected Map<TransmittableThreadLocal<?>, ?> initialValue() {
                    return new WeakHashMap<TransmittableThreadLocal<?>, Object>();
                }

                protected Map<TransmittableThreadLocal<?>, ?> childValue(Map<TransmittableThreadLocal<?>, ?> parentValue) {
                    return new WeakHashMap<TransmittableThreadLocal<?>, Object>(parentValue);
                }
            };
  • initialValue 方法會在 InheritableThreadLocal 創建時被調用，默認創建一個 WeakHashMap。
  • childValue 方法會在創建子線程時，Thread 調用 init 方法，會調用 ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals)，createInheritedMap 中會創建 ThreadLocalMap，ThreadLocalMap 的構造方法中會調用 childValue 方法。
public class Thread implements Runnable {

    public Thread() {
        init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    }

    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {

        Thread parent = currentThread();
        // TODO 忽略其他源碼
        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);

        // TODO 忽略其他源碼
    }
}

public class ThreadLocal<T> {
    static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) {
        return new ThreadLocalMap(parentMap);
    }

    private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
        // TODO 忽略部分代碼

        for (int j = 0; j < len; j++) {
            if (e != null) {
                ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get();
                if (key != null) {
                    Object value = key.childValue(e.value);
                    // TODO 忽略部分代碼
                }
            }
        }
    }
}

可能有人有疑問，為什么使用 WeakHashMap。關于 WeakHashMap 不了解的，大家可以自行查詢一下。這里只是闡述一下，為什么 TTL 會使用 WeakHashMap。

  • 使用 WeakHashMap 是 “繼承” ThreadLocalMap.Entry 的“優良傳統”，在沒有其它強引用的情況下，下一次GC 時才會被垃圾回收，避免內存泄露。
  • 程序中可能會使用到多個 ThreadLocal，所以需要使用 Map 作為容器儲存，使用 Map 還能快速 remove 當前 ThreadLocal。

在使用線程池時，需要使用 TTL 提供的 TtlExecutors 包裝，如：

TtlExecutors.getTtlExecutor(Executors.newCachedThreadPool());

讓我們繼續跟進 TtlExecutors.getTtlExecutor 方法中，探究下這個方法里面究竟做了什么？

public final class TtlExecutors {
  public static Executor getTtlExecutor(Executor executor) {
        if (null == executor || executor instanceof ExecutorTtlWrapper) {
            return executor;
        }
        return new ExecutorTtlWrapper(executor);
    }
}
  • 使用 ExecutorTtlWrapper 包裝 Executor。

使用 ExecutorTtlWrapper 包裝有什么用呢？那么就繼續看看 ExecutorTtlWrapper 里面的實現：

class ExecutorTtlWrapper implements Executor {
    private final Executor executor;

    ExecutorTtlWrapper(Executor executor) {
        this.executor = executor;
    }

    public void execute(Runnable command) {
        executor.execute(TtlRunnable.get(command));
    }

    // TODO 忽略部分代碼
}
  • 重點是在執行 execute 方法的時候，使用 TtlRunnable 做了線程上下文的處理，再執行真正的 Runnable run 方法。

現在重點介紹一下 TtlRunnable 里面做了什么處理：

public final class TtlRunnable implements Runnable {
    private final AtomicReference<Object> capturedRef;
    private final Runnable runnable;
    private final boolean releaseTtlValueReferenceAfterRun;

    private TtlRunnable(Runnable runnable, boolean releaseTtlValueReferenceAfterRun) {
        this.capturedRef = new AtomicReference<Object>(TransmittableThreadLocal.Transmitter.capture());
        // TODO 忽略部分代碼
    }

    public void run() {
        Object captured = capturedRef.get();
        // TODO 忽略部分代碼

        Object backup = TransmittableThreadLocal.Transmitter.replay(captured);
        try {
            runnable.run();
        } finally {
            TransmittableThreadLocal.Transmitter.restore(backup);
        }
    }

     public static TtlRunnable get(Runnable runnable, boolean releaseTtlValueReferenceAfterRun, boolean idempotent) {
        // TODO 忽略部分代碼
        return new TtlRunnable(runnable, releaseTtlValueReferenceAfterRun);
    }
}

public static class Transmitter {
        
        public static Object capture() {
            Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object> captured = new HashMap<TransmittableThreadLocal<?>, Object>();
            for (TransmittableThreadLocal<?> threadLocal : holder.get().keySet()) {
                captured.put(threadLocal, threadLocal.copyValue());
            }
            return captured;
        }

        public static Object replay(Object captured) {
            Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object> capturedMap = (Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object>) captured;
            Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object> backup = new HashMap<TransmittableThreadLocal<?>, Object>();

            for (Iterator<? extends Map.Entry<TransmittableThreadLocal<?>, ?>> iterator = holder.get().entrySet().iterator();
                 iterator.hasNext(); ) {
                Map.Entry<TransmittableThreadLocal<?>, ?> next = iterator.next();
                TransmittableThreadLocal<?> threadLocal = next.getKey();

                // backup
                backup.put(threadLocal, threadLocal.get());

                // clear the TTL values that is not in captured
                // avoid the extra TTL values after replay when run task
                if (!capturedMap.containsKey(threadLocal)) {
                    iterator.remove();
                    threadLocal.superRemove();
                }
            }

            // set values to captured TTL
            setTtlValuesTo(capturedMap);

            // call beforeExecute callback
            doExecuteCallback(true);

            return backup;
        }

        public static void restore(Object backup) {
            Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object> backupMap = (Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object>) backup;
            // call afterExecute callback
            doExecuteCallback(false);

            for (Iterator<? extends Map.Entry<TransmittableThreadLocal<?>, ?>> iterator = holder.get().entrySet().iterator();
                 iterator.hasNext(); ) {
                Map.Entry<TransmittableThreadLocal<?>, ?> next = iterator.next();
                TransmittableThreadLocal<?> threadLocal = next.getKey();

                // clear the TTL values that is not in backup
                // avoid the extra TTL values after restore
                if (!backupMap.containsKey(threadLocal)) {
                    iterator.remove();
                    threadLocal.superRemove();
                }
            }

            // restore TTL values
            setTtlValuesTo(backupMap);
        }

        private static void setTtlValuesTo(Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object> ttlValues) {
            for (Map.Entry<TransmittableThreadLocal<?>, Object> entry : ttlValues.entrySet()) {
                TransmittableThreadLocal<Object> threadLocal = (TransmittableThreadLocal<Object>) entry.getKey();
                threadLocal.set(entry.getValue());
            }
        }
}
  • TtlRunnable 是實現于 Runnable，所以線程池執行的是 TtlRunnable，但是在 TtlRunnable run 方法中會執行 Runnable run 方法。
  • 線程池執行時，執行了 ExecutorTtlWrapper execute 方法，execute 方法中調用了 TtlRunnable.get(command) ，get 方法中創建了一個 TtlRunnable 對象返回了。
  • TtlRunnable 構造方法中，調用了 TransmittableThreadLocal.Transmitter.capture() 獲取當前線程中所有的上下文，并儲存在 AtomicReference 中。
  • 當線程執行時，調用 TtlRunnable run 方法，TtlRunnable 會從 AtomicReference 中獲取出調用線程中所有的上下文，并把上下文給 TransmittableThreadLocal.Transmitter.replay 方法把上下文復制到當前線程。并把上下文備份。
  • 當線程執行完，調用 TransmittableThreadLocal.Transmitter.restore 并把備份的上下文傳入，恢復備份的上下文，把后面新增的上下文刪除，并重新把上下文復制到當前線程。

PS：

  • Log4j2 MDC 集成 TTL
<dependency>
    <groupId>com.alibaba</groupId>
    <artifactId>log4j2-ttl-thread-context-map</artifactId>
    <version>1.2.0</version>
</dependency>
  • Logback MDC 集成 TTL
<dependency>
    <groupId>com.ofpay</groupId>
    <artifactId>logback-mdc-ttl</artifactId>
    <version>1.0.2</version>
</dependency>
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