ThreadLocal系列（二）-InheritableThreadLocal的使用及原理解析

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一、基本使用

我们继续来看之前写的例子：

代码块1
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private static ThreadLocal tl = new ThreadLocal<>();

public static void main(String[] args) throws Exception {
        tl.set(1);
        System.out.println(String.format("当前线程名称: %s, main方法内获取线程内数据为: %s",
                Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
        fc();
        new Thread(() -> {
            fc();
        }).start();
        Thread.sleep(1000L); //保证下面fc执行一定在上面异步代码之后执行
        fc(); //继续在主线程内执行，验证上面那一步是否对主线程上下文内容造成影响
    }

    private static void fc() {
        System.out.println(String.format("当前线程名称: %s, fc方法内获取线程内数据为: %s",
                Thread.currentThread().getName(), tl.get()));
    }

输出为：

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当前线程名称: main, main方法内获取线程内数据为: 1
当前线程名称: main, fc方法内获取线程内数据为: 1
当前线程名称: Thread-0, fc方法内获取线程内数据为: null
当前线程名称: main, fc方法内获取线程内数据为: 1

我们会发现，父线程的本地变量是无法传递给子线程的，这当然是正常的，因为线程本地变量来就不应该相互有交集，但是有些时候，我们的确是需要子线程里仍然可以获取到父线程里的本地变量，现在就需要借助TL的一个子类：InheritableThreadLocal（下面简称ITL），来完成上述要求 现在我们将例子里的

代码块2
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private static ThreadLocal tl = new ThreadLocal<>();

改为：

代码块3
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private static ThreadLocal tl = new InheritableThreadLocal<>();

然后我们再来运行下结果：

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当前线程名称: main, main方法内获取线程内数据为: 1
当前线程名称: main, fc方法内获取线程内数据为: 1
当前线程名称: Thread-0, fc方法内获取线程内数据为: 1
当前线程名称: main, fc方法内获取线程内数据为: 1

可以发现，子线程里已经可以获得父线程里的本地变量了。

结合之前讲的TL的实现，简单理解起来并不难，基本可以认定，是在创建子线程的时候，父线程的ThreadLocalMap（下面简称TLMap）里的值递给了子线程，子线程针对上述tl对象持有的k-v进行了copy，其实这里不是真正意义上对象copy，只是给v的值多了一条子线程TLMap的引用而已，v的值在父子线程里指向的均是同一个对象，因此任意线程改了这个值，对其他线程是可见的，为了验证这一点，我们可以改造以上测试代码：

代码块4
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private static ThreadLocal tl = new InheritableThreadLocal<>();
    private static ThreadLocal tl2 = new InheritableThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        tl.set(1);

        Hello hello = new Hello();
        hello.setName("init");
        tl2.set(hello);
        System.out.println(String.format("当前线程名称: %s, main方法内获取线程内数据为: tl = %s，tl2.name = %s",
                Thread.currentThread().getName(), tl.get(), tl2.get().getName()));
        fc();
        new Thread(() -> {
            Hello hello1 = tl2.get();
            hello1.setName("init2");
            fc();
        }).start();
        Thread.sleep(1000L); //保证下面fc执行一定在上面异步代码之后执行
        fc(); //继续在主线程内执行，验证上面那一步是否对主线程上下文内容造成影响
    }

    private static void fc() {
        System.out.println(String.format("当前线程名称: %s, fc方法内获取线程内数据为: tl = %s，tl2.name = %s",
                Thread.currentThread().getName(), tl.get(), tl2.get().getName()));
    }

输出结果为：

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当前线程名称: main, main方法内获取线程内数据为: tl = 1，tl2.name = init
当前线程名称: main, fc方法内获取线程内数据为: tl = 1，tl2.name = init
当前线程名称: Thread-0, fc方法内获取线程内数据为: tl = 1，tl2.name = init2
当前线程名称: main, fc方法内获取线程内数据为: tl = 1，tl2.name = init2

可以确认，子线程里持有的本地变量跟父线程里那个是同一个对象。

二、原理分析

通过上述的测试代码，基本可以确定父线程的TLMap被传递到了下一级，那么我们基本可以确认ITL是TL派生出来专门解决线程本地变量父传子问题的，那么下面通过源码来分析一下ITL到底是怎么完成这个操作的。

先来了解下Thread类，上节说到，其实最终线程本地变量是通过TLMap存储在Thread对象内的，那么来看下Thread对象内关于TLMap的两个属性：

代码块5
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ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

Thread类里其实有两个TLMap属性，第一个就是普通TL对象为其赋值，第二个则由ITL对象为其赋值，来看下TL的set方法的实现，这次针对该方法介绍下TL子类的相关方法实现：

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// TL的set方法，如果是子类的实现，那么获取（getMap）和初始化赋值（createMap）都是ITL对象里的方法
    // 其余操作不变（因为hash计算、查找、扩容都是TLMap里需要做的，这里子类ITL只起到一个为Thread对象里哪个TLMap属性赋值的作用）
    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocal.ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }
    
    // ITL里getMap方法的实现
    ThreadLocal.ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.inheritableThreadLocals; //返回的其实是Thread对象的inheritableThreadLocals属性
    }
    
    // ITL里createMap方法的实现
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        // 也是给Thread的inheritableThreadLocals属性赋值
        t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

而inheritableThreadLocals里的信息通过Thread的init方法是可以被传递下去的：

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// 初始化一个Thread对象时的代码段（Thread类的init方法）
    Thread parent = currentThread();
    if (parent.inheritableThreadLocals != null){ //可以看到，如果父线程存在inheritableThreadLocals的时候，会赋值给子线程（当前正在被初始化的线程）
        // 利用父线程的TLMap对象，初始化一个TLMap，赋值给自己的inheritableThreadLocals（这就意味着这个TLMap里的值会一直被传递下去）
        this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
    }

    // 看下TL里对应的方法
    static ThreadLocal.ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocal.ThreadLocalMap parentMap) {
        return new ThreadLocal.ThreadLocalMap(parentMap); //这里就开始初始化TLMap对象了
    }

    // 根据parentMap来进行初始化子线程的TLMap对象
    private ThreadLocalMap(ThreadLocal.ThreadLocalMap parentMap) {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] parentTable = parentMap.table; //拿到父线程里的哈希表
        int len = parentTable.length;
        setThreshold(len); // 设置阈值（具体方法参考上一篇）
        table = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[len];

        for (int j = 0; j < len; j++) {
            ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = parentTable[j]; //将父线程里的Entry取出
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get(); //获取key
                if (key != null) {
                    Object value = key.childValue(e.value); //获取value
                    ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry c = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(key, value); //根据k-v重新生成一个Entry
                    int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1); //计算哈希值
                    while (table[h] != null)
                        h = nextIndex(h, len); //线性探查解决哈希冲突问题（具体方法参考上一篇）
                    table[h] = c; //找到合适的位置后进行赋值
                    size++;
                }
            }
        }
    }

    // ITL里的childValue的实现
    protected T childValue(T parentValue) {
        return parentValue; //直接将父线程里的值返回
    }

三、ITL所带来的的问题

看过上述代码后，现在关于ITL的实现我们基本上有了清晰的认识了，根据其实现性质，可以总结出在使用ITL时可能存在的问题：

3.1：线程不安全

写在前面：这里讨论的线程不安全对象不包含Integer等类型，因为这种对象被重新赋值，变掉的是整个引用，这里说的是那种不改变对象引用，直接可以修改其内容的对象（典型的就是自定义对象的set方法）

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。

3.2：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。

针对上述2，我们来做个实验，来证明下猜想：

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// 为了方便观察，我们假定线程池里只有一个线程
    private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);

    private static ThreadLocal tl = new InheritableThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {

        tl.set(1);
        
        System.out.println(String.format("线程名称-%s, 变量值=%s", Thread.currentThread().getName(), tl.get()));

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

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

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

输出结果为：

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线程名称-main, 变量值=1
线程名称-pool-1-thread-1, 变量值=1
线程名称-main, 变量值=1
线程名称-pool-1-thread-1, 变量值=1

会发现，并没有什么问题，和我们预想的并不一样，原因是什么呢？因为线程池本身存在一个初始化的过程，第一次使用的时候发现里面的线程数（worker数）少于核心线程数时，会进行创建线程，既然是创建线程，一定会执行Thread的init方法，参考上面提到的源码，在第一次启用线程池的时候，类似做了一次new Thread的操作，因此是没有什么问题的，父线程的TLMap依然可以传递下去。

现在我们改造下代码，把tl.set(1)改到第一次启用线程池的下面一行，然后再看看：

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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(), tl.get()));

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

        tl.set(1); // 等上面的线程池第一次启用完了，父线程再给自己赋值

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

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

输出结果为：

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

很明显，第一次启用时没有递进去的值，在后续的子线程启动时就再也传递不进去了。

尾声

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。