ThreadLocal、ITL、TTL原理详解及实践

作者: Raral | 来源:发表于2023-01-08 17:20 被阅读0次

1.ThreadLocal 介绍
 1.1基本使用
 1.2原理分析
 1.3软引用
 2.InheritableThreadLocal 介绍
 2.1基本使用
 2.2原理分析
 2.3ITL问题

3.TransmittableThreadLocal 介绍
 3.1基本使用
 3.2原理分析
 3.3ITL问题

<h1 id='1'>一、ThreadLocal（TL）</h1>
项目中我们如果想要某个对象在程序运行中的任意位置获取到，就需要借助ThreadLocal来实现，这个对象称作线程的本地变量，下面就介绍下ThreadLocal是如何做到线程内本地变量传递的，

//当前线程上下文
    public static final ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //登录
        LoginHandle();
        System.out.println(String.format("当前线程名称: %s, 线程内数据为: %s",
                Thread.currentThread().getName(), threadLocal.get()));
        //查询
        new Thread(() -> {
            String info = getInfo();
            System.out.println(String.format("当前线程名称: %s, 获取线程内数据为: %s",
                    Thread.currentThread().getName(), info));

            //在子线程设置上下文,看是否影响主线程 上下文 值
            threadLocal.set("ok2");

        }).start();

        //确保下面执行在上面的异步代码之后执行
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(String.format("当前线程名称: %s, 线程内数据为: %s",
                Thread.currentThread().getName(), threadLocal.get()));



    }

    public static void LoginHandle() {
        threadLocal.set("ok");
    }

    public static String getInfo() {
        String o =(String) threadLocal.get();
        threadLocal.remove();
        return o;
    }


/**打印
当前线程名称: main, 线程内数据为: ok
当前线程名称: Thread-0, 获取线程内数据为: null
当前线程名称: main, 线程内数据为: ok

*/

通过上面代码分析

ThreadLocal 在多线程中是线程数据隔离的，线程之间不能访问彼此上下文的。
ThreadLocal 数据共享只能在当前线程操作数栈中。

<h2 id='1.2'>1.2原理分析</h2>
敬请期待

<h1 id='2'>二、InheritableThreadLocal</h1>
根据ThreadLocal（TL）特点，父线程的本地变量无法传递给子线程；InheritableThreadLocal（ITL）为了解决这个问题，可以实现父线程的本地变量可以传递给子线程

只修改下InheritableThreadLocal

//当前线程上下文
    public static final InheritableThreadLocal threadLocal = new InheritableThreadLocal();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //登录
        LoginHandle();
        System.out.println(String.format("当前线程名称: %s, 线程内数据为: %s",
                Thread.currentThread().getName(), threadLocal.get()));
        //查询
        new Thread(() -> {
            String info = getInfo();
            System.out.println(String.format("当前线程名称: %s, 获取线程内数据为: %s",
                    Thread.currentThread().getName(), info));

            //在子线程设置上下文,看是否影响主线程 上下文 值
            threadLocal.set("ok2");

        }).start();

        //确保下面执行在上面的异步代码之后执行
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(String.format("当前线程名称: %s, 线程内数据为: %s",
                Thread.currentThread().getName(), threadLocal.get()));



    }

    public static void LoginHandle() {
        threadLocal.set("ok");
    }

    public static String getInfo() {
        String o =(String) threadLocal.get();
        threadLocal.remove();
        return o;
    }


/**打印
当前线程名称: main, 线程内数据为: ok
当前线程名称: Thread-0, 获取线程内数据为: ok
当前线程名称: main, 线程内数据为: ok
*/

<h2 id='2.2'>2.2原理分析</h2>
敬请期待
<h2 id='2.3'>2.3ITL问题</h2>

线程不安全
如果说线程本地变量是只读变量不会受到影响，但是如果是可写的，那么任意子线程针对本地变量的修改都会影响到主线程的本地变量（本质上是同一个对象），参考上面的第三个例子，子线程写入后会覆盖掉主线程的变量，也是通过这个结果，我们确认了子线程TLMap里变量指向的对象和父线程是同一个。
线程池中可能失效
按照上述实现，在使用线程池的时候，ITL会完全失效，因为父线程的TLMap是通过init一个Thread的时候进行赋值给子线程的，而线程池在执行异步任务时可能不再需要创建新的线程了，因此也就不会再传递父线程的TLMap给子线程了。

 private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);

    public static final InheritableThreadLocal<String> itl = new InheritableThreadLocal();

    public static void main(String[] args) {


        System.out.println(String.format("线程名称-%s, 变量值=%s", Thread.currentThread().getName(), itl.get()));

        executorService.execute(() -> {
            System.out.println(String.format("线程名称-%s, 变量值=%s", Thread.currentThread().getName(), itl.get()));
        });
        itl.set("ok");//等上面的线程池第一次用完，父线程再进行赋值

        executorService.execute(() -> {
            System.out.println(String.format("线程名称-%s, 变量值=%s", Thread.currentThread().getName(), itl.get()));
        });
        System.out.println(String.format("线程名称-%s, 变量值=%s", Thread.currentThread().getName(), itl.get()));



    }

   /**
   
线程名称-main, 变量值=null
线程名称-pool-1-thread-1, 变量值=null
线程名称-pool-1-thread-1, 变量值=null
线程名称-main, 变量值=ok
   */

解决

但是，在实际项目中我们大多数采用线程池进行做异步任务，假如真的需要传递主线程的本地变量，使用ITL的问题显然是很大的，因为是有极大可能性拿不到任何值的，显然在实际项目中，ITL的位置实在是尴尬，所以在启用线程池的情况下，不建议使用ITL做值传递。为了解决这种问题，阿里做了transmittable-thread-local（TTL）来解决线程池异步值传递问题，下一篇，我们将会分析TTL的用法及原理。

<h1 id='3'>一、TransmittableThreadLocal（TTL）</h1>
首先，TTL是用来解决ITL解决不了的问题而诞生的，所以TTL一定是支持父线程的本地变量传递给子线程这种基本操作的，ITL也可以做到，但是前面有讲过，ITL在线程池的模式下，就没办法再正确传递了，所以TTL做出的改进就是即便是在线程池模式下，也可以很好的将父线程本地变量传递下去，
<h2 id='3.1'>2.2基本使用</h2>

private static ExecutorService executorService = TtlExecutors.getTtlExecutorService(Executors.newFixedThreadPool(2));

    //当前线程上下文
    public static final TransmittableThreadLocal ttl = new TransmittableThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println(String.format("线程名称-%s, 变量值=%s", Thread.currentThread().getName(), ttl.get()));

        executorService.execute(() -> {
            System.out.println(String.format("线程名称-%s, 变量值=%s", Thread.currentThread().getName(), ttl.get()));
        });
        ttl.set("ok");//等上面的线程池第一次用完，父线程再进行赋值

        executorService.execute(() -> {
            System.out.println(String.format("线程名称-%s, 变量值=%s", Thread.currentThread().getName(), ttl.get()));
        });
        System.out.println(String.format("线程名称-%s, 变量值=%s", Thread.currentThread().getName(), ttl.get()));

    }

/**

线程名称-main, 变量值=null
线程名称-pool-1-thread-1, 变量值=null
线程名称-main, 变量值=ok
线程名称-pool-1-thread-2, 变量值=ok
*/

private static ThreadLocal tl = new TransmittableThreadLocal<>();
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {

            String mainThreadName = "main_01";

            tl.set(1);

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之前(1), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之前(1), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之前(1), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            sleep(1L); //确保上面的会在tl.set执行之前执行
            tl.set(2); // 等上面的线程池第一次启用完了，父线程再给自己赋值

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之后(2), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之后(2), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之后(2), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            System.out.println(String.format("线程名称-%s, 变量值=%s", Thread.currentThread().getName(), tl.get()));

        }).start();


        new Thread(() -> {

            String mainThreadName = "main_02";

            tl.set(3);

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之前(3), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之前(3), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之前(3), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            sleep(1L); //确保上面的会在tl.set执行之前执行
            tl.set(4); // 等上面的线程池第一次启用完了，父线程再给自己赋值

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之后(4), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之后(4), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            new Thread(() -> {
                sleep(1L);
                System.out.println(String.format("本地变量改变之后(4), 父线程名称-%s, 子线程名称-%s, 变量值=%s", mainThreadName, Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
            }).start();

            System.out.println(String.format("线程名称-%s, 变量值=%s", Thread.currentThread().getName(), tl.get()));

        }).start();
    }

    private static void sleep(long time) {
        try {
            Thread.sleep(time);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

<h2 id='3.1'>3.2原理分析</h2>
敬请期待

<h2 id='3.2'>3.3总结</h2>
到这里基本上确认了TTL是如何进行线程池传值的，以及被包装的run方法执行异步任务之前，会使用replay进行设置父线程里的本地变量给当前子线程，任务执行完毕，会调用restore恢复该子线程原生的本地变量（目前原生本地变量的产生，就只碰到上述测试代码中的这一种情况，即线程第一次使用时通过ITL属性以及Thread的init方法传给子线程，还不太清楚有没有其他方式设置）。

其实，正常程序里想要完成线程池上下文传递，使用TL就足够了，我们可以效仿TTL包装线程池对象的原理，进行值传递，异步任务结束后，再remove，以此类推来完成线程池值传递，不过这种方式过于单纯，且要求上下文为只读对象，否则子线程存在写操作，就会发生上下文污染。

TTL项目地址（可以详细了解下它的其他特性和用法）：https://github.com/alibaba/transmittable-thread-local
https://www.cnblogs.com/hama1993/p/10409740.html

ThreadLocal、ITL、TTL原理详解及实践

解决

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