【父子线程传值TransmittableThreadLocal使用踩坑-及相关知识拓展】

文章目录

- 一.业务背景
- 二.TransmittableThreadLocal是什么？
- 三.问题复现
- - 1.定义注解@DigitalAngel
  - 2.定义切面
  - 3.TransmittableThreadLocal相关
  - 4.线程池配置信息
  - 5.Controller
  - 6.Service
  - 7.测试结果
  - 8.问题分析
  - 9 解决办法及代码改造
  - 10.最终测试：
- 四.与 ThreadLocal 和 InheritableThreadLocal 的对比
- 五.TransmittableThreadLocal典型应用场景
- 六.小结

一.业务背景

这版本我有一个需求是这样的：要针对项目里面总计归纳有6个接口，要去判断有没有天使用户角色：“DIGITAL_ANGEL”，来做特殊化查询逻辑。如果登录用户有这天使用户角色，那么看到的数据范围更大。否则就只能看到登录用户自己权限范围内的数据。不知道我描述的这业务逻辑是否清楚了0.0，小伙伴们能get到这意思吗…
这6个接口是其他同事做的（已上线），此次需求交给我来做了，因为是已上线接口，我尽量做到业务侵入最小化，植入我此次需求最小代码。

好的，然后我的设计思路是这样来做的：

定义注解@DigitalAngel，放到6个请求接口上
定义切面切注解，然后切面里面统一判断当前登录用户是否有"DIGITAL_ANGEL"角色，有则把这个布尔值存入TransmittableThreadLocal(因为有些接口里面开了子线程，涉及到父子线程传值)
在接口业务层面，拿到TransmittableThreadLocal里面的布尔值，如果为true ？执行我们的天使用户查询逻辑：执行历史逻辑

一顿操作猛如虎，开始开发环境测试，刚开始都喜笑颜开，小小需求，随便拿捏。后面等我多测几次发现不对劲了，出现了诡异的事情，切面里面判断某个人有这角色，布尔值为true，然后子线程里面里面竟然出现了false！！！,然后这问题还是偶发，有个时候又频率高有个时候又没问题，我都一脸懵逼了，课余赶紧补充知识。。。

二.TransmittableThreadLocal是什么？

‌TransmittableThreadLocal（TTL）是阿里巴巴提供的一个工具包中的类，主要用于解决线程池场景下的变量传递问题。‌
它继承自InheritableThreadLocal，提供了一种机制，使得在线程池中的线程能够传递和继承ThreadLocal变量的值‌。
TTL与普通的ThreadLocal不同，普通的ThreadLocal变量在线程之间是隔离的，每个线程只能访问自己的ThreadLocal变量，无法在线程切换时传递变量值。而TTL允许在线程切换时保留原始线程的变量值，并在新线程中恢复这些值，使得新线程能够继续使用原始线程的变量‌。
TTL的核心工作原理基于Java的ThreadLocal机制，并通过扩展InheritableThreadLocal来实现。在任务提交到线程池之前，会将当前线程的ThreadLocal变量值保存到一个中间结构中。当任务在子线程中执行时，会从这个中间结构中恢复这些变量值并设置到子线程的ThreadLocal副本中，从而实现跨线程传递‌

三.问题复现

因为我们是内网开发，不方便给大家直观展示，我把实现思路这里简单写一遍，一样的可以复现。

1.定义注解@DigitalAngel

@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface DigitalAngel {
    String memo();
}

2.定义切面

@Aspect
@Component
@Slf4j
public class RoleCheckAspect {

    @Around("@annotation(com.tuling.tulingmall.annotation.DigitalAngel)")
    public Object checkRole(ProceedingJoinPoint joinPoint) throws Throwable {

        // 模拟角色检查逻辑，这里检查是否拥有 "DIGITAL_ANGEL" 角色
        boolean hasRole = Math.random() > 0.5;
        log.info("Aspect: 检查角色，是否拥有DIGITAL_ANGEL角色:{} " , hasRole);
        RoleContext.setHasRole(hasRole);
        try {
            return joinPoint.proceed();
        } finally {
            // 清理 ThreadLocal，避免内存泄漏
            RoleContext.clear();
        }
    }
}

3.TransmittableThreadLocal相关

public class RoleContext {

    private static final TransmittableThreadLocal<Boolean> hasDigitalAngelRole = new TransmittableThreadLocal<>();

    public static void setHasRole(Boolean hasRole) {
        hasDigitalAngelRole.set(hasRole);
    }

    public static Boolean getHasRole() {
        return hasDigitalAngelRole.get();
    }

    public static void clear() {
        hasDigitalAngelRole.remove();
    }
}

4.线程池配置信息

为了让问题更容易复现：

使用线程池中的线程复用问题：可以增加线程池的复用频率和负载，减少线程重新创建的机会。通过设置线程池的核心线程数较小，同时增加任务提交量，让线程池更频繁地复用同一个线程，这样在上下文未正确传播时更容易复现问题。
控制 TransmittableThreadLocal 的传递与清理：在一些关键位置手动调用 RoleContext.clear()，或者模拟在子线程中上下文值被修改或清理的场景。
延迟任务执行：可以通过引入一定的延迟或模拟复杂任务，使得线程的生命周期较长，以增加上下文丢失的几率。
多个异步任务并行运行：提交大量异步任务给线程池，增加并发量，让上下文丢失更容易出现。

我把核心线程数变小，同时提交10个异步任务，然后给任务引入一定的延迟来增大问题复现概率

@Configuration
public class ThreadPoolConfiguration {

    @Bean("commonPool")
    public ExecutorService commonThreadPoolExecutor(){
        return new TulingMallThreadPoolExecutor("测试用例专用线程池",2,5).getLhrmsThreadPoolExecutor();
    }
}

5.Controller

@ApiOperation("测试-TransmittableThreadLocal")
@DigitalAngel(memo = "标注该接口需要校验是否存在DIGITAL_ANGEL角色")
@RequestMapping(value = "/testTransmittableThreadLocal", method = RequestMethod.POST)
public CommonResult<String> testTransmittableThreadLocal() {
    testCaseService.testTransmittableThreadLocal();
    return CommonResult.success("成功");
}

6.Service

	@Autowired
    @Qualifier("commonPool")
    private ExecutorService tulingThreadPoolExecutor;
 
   @Override
    public void testTransmittableThreadLocal() {
        // 主线程获取角色信息
        Boolean hasRole = RoleContext.getHasRole();
        log.info("主线程: 获取角色信息，是否拥有 'DIGITAL_ANGEL' 角色: " + hasRole);

        // 提交多个任务到自定义线程池
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            CompletableFuture.runAsync(() -> {
                try {
                    // 增加任务的执行时间，模拟长时间运行的任务
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                    // 在子线程中获取角色信息
                    Boolean childThreadHasRole = RoleContext.getHasRole();
                    log.info("子线程: 获取角色信息，是否拥有 'DIGITAL_ANGEL' 角色: " + childThreadHasRole);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }, tulingThreadPoolExecutor);
        }
    }

7.测试结果

正常我们如果没有仔细了解过TransmittableThreadLocal，是不是认为都使用TransmittableThreadLocal了，在切面里面(主线程)都打印有这个DIGITAL_ANGEL角色编码了，那么子线程拿到的肯定是true对吧。但是上面代码经测试会出现下面的异常情况：切面和主线程判断是有这个角色编码的，可是我们的子线程获取的都是false,认为它没有天使用户角色！从而造成我们的业务逻辑查的有问题！！！
在这里插入图片描述

8.问题分析

然后去查资料，总结了精辟的点。遇到的问题与线程池复用和 TransmittableThreadLocal 的传播机制有关。
TransmittableThreadLocal 可以在父子线程之间传递值，但需要满足一些前提条件，比如子线程是在父线程创建后立即启动的。如果业务逻辑涉及到线程池或者异步执行任务，可能会出现以下两种情况：

线程池线程复用问题
在线程池中，线程是被复用的，因此当某个线程完成任务后会被放回线程池，而不会立即销毁。接下来的任务可能会复用这个线程。在这种情况下，如果你没有正确清理 TransmittableThreadLocal，线程复用后可能获取到之前任务的值，或者无法获取到期望的值。

解决方案：手动清理 TransmittableThreadLocal 的值。确保每次在线程池中使用线程执行任务时，清理上一次任务残留的数据。

try {
    // 在子线程中执行任务，并获取 TTL 中的布尔值
} finally {
    // 任务执行结束，清理 TransmittableThreadLocal
    TransmittableThreadLocal.clear();
}

子线程启动时机问题
TransmittableThreadLocal 的值只能在子线程创建时从父线程中拷贝。如果子线程是在父线程存储值之前启动的，那么子线程可能无法获取父线程的 ThreadLocal 值。如果有异步任务，尤其是使用 @Async 或其他异步编程模型的情况下，线程的启动顺序可能会影响值的传递。

解决方案：确保在启动子线程之前，父线程已经将值存入 TransmittableThreadLocal。可以通过控制异步任务的触发时机来避免这一问题。

// 在主线程中存入 TransmittableThreadLocal 的值
boolean roleExists = checkRole();
TransmittableThreadLocal.set(roleExists);

// 确保子线程在设置完值后启动
executorService.submit(() -> {
    // 子线程中获取值
    Boolean value = TransmittableThreadLocal.get();
    // 执行业务逻辑
});

异步框架或线程池管理问题
如果你使用了异步框架（比如 Spring 的 @Async）或自定义的线程池管理逻辑，确保这些线程池或任务管理器支持 TransmittableThreadLocal 的上下文传播。默认的线程池可能不支持自动传播上下文数据，导致无法在子线程中获取到父线程的数据。

解决方案：确保线程池或任务管理框架使用了 TTL 的增强版线程池（TTLExecutorService 等），这可以保证 TransmittableThreadLocal 的值在线程池中正确传播。

// 使用 TTL 版本的线程池来保证父子线程之间的值传递
ExecutorService ttlExecutorService = TtlExecutors.getTtlExecutorService(executorService);

ttlExecutorService.submit(() -> {
    Boolean value = TransmittableThreadLocal.get();
    // 子线程中业务逻辑
});

很明显，我们上面的代码问题符合上面“异步框架或线程池管理问题”。我们的线程池没有使用TTL 的增强版线程池！！！

总结如下3点：

线程池复用 导致的值残留或丢失。
子线程启动时机 导致的值未传递。
线程池的上下文传播 未正确设置。
可以从这几方面排查和修正你的问题，确保 TransmittableThreadLocal 在父子线程之间正确传播值。

9 解决办法及代码改造

因为我们项目里面的线程池是放在了Spring容器中，然后有其他场景也在使用，为了影响最小化。直接在开异步任务的时候，CompletableFuture传入 TTL 的增强版线程池（TTLExecutorService ）。

  @Autowired
  @Qualifier("commonPool")
  private ExecutorService tulingThreadPoolExecutor;
    
  @Override
    public void testTransmittableThreadLocal() {
        // 主线程获取角色信息
        Boolean hasRole = RoleContext.getHasRole();
        log.info("主线程: 获取角色信息，是否拥有 'DIGITAL_ANGEL' 角色: " + hasRole);

        // 提交多个任务到自定义线程池
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            CompletableFuture.runAsync(() -> {
                try {
                    // 增加任务的执行时间，模拟长时间运行的任务
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                    // 在子线程中获取角色信息
                    Boolean childThreadHasRole = RoleContext.getHasRole();
                    log.info("子线程: 获取角色信息，是否拥有 'DIGITAL_ANGEL' 角色: " + childThreadHasRole);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }, TtlExecutors.getTtlExecutorService(tulingThreadPoolExecutor));
        }
    }

10.最终测试：

请求了10次，每次结果都是主线程认为没有角色权限则子线程也没有角色权限，主线程认为有角色权限则子线程也有角色权限。
在这里插入图片描述

四.与 ThreadLocal 和 InheritableThreadLocal 的对比

在这里插入图片描述

传统 ThreadLocal 的局限性
ThreadLocal 是 Java 提供的线程本地存储工具，用于每个线程存储和访问自己的独立变量副本。但是在多线程环境下，尤其是线程池场景中，ThreadLocal 有以下局限性：

线程隔离：每个线程有自己独立的 ThreadLocal 值，子线程不能继承父线程中的 ThreadLocal 值。
线程复用问题：在线程池中，线程会被复用，导致某些上下文信息（例如 ThreadLocal值）在不同任务之间泄漏，或未能正确传递到子线程中。

InheritableThreadLocal 的不足
InheritableThreadLocal 是 ThreadLocal 的一个子类，它允许子线程继承父线程的 ThreadLocal 值，但它有以下几个问题：

线程池场景不适用：InheritableThreadLocal 只能在父线程创建子线程时传递 ThreadLocal值，对于线程池中的线程复用场景无效，因为线程池中的线程在父线程运行之前就已创建。
线程复用导致的值污染：线程池中的线程在执行完一个任务后会被重复利用，如果 InheritableThreadLocal的值没有被清理干净，可能导致数据污染。

TransmittableThreadLocal 的原理
TransmittableThreadLocal 解决了 ThreadLocal 和 InheritableThreadLocal 在多线程和线程池环境中的局限性，能够在父线程和子线程（包括线程池中的线程）之间传递 ThreadLocal 的值。
其核心思想是通过任务提交的时机，在任务进入线程池执行前，主动捕获当前线程的 ThreadLocal 值并在子线程中恢复，从而确保上下文的传递。
核心技术原理：
1.拦截任务提交：在任务提交给线程池时，TransmittableThreadLocal 会拦截任务并记录当前父线程中的 ThreadLocal 值。这是通过对 ExecutorService、Runnable、Callable 等任务接口的增强来实现的。
2.线程上下文的传递：当任务在子线程中执行时，TransmittableThreadLocal 将会把父线程的 ThreadLocal 上下文传递到子线程，并在子线程执行任务时还原这些上下文。
3.任务执行完成后的清理：任务执行结束后，TransmittableThreadLocal 会清理子线程中的上下文，避免这些上下文在线程复用时污染其他任务。
工作流程
以下是 TransmittableThreadLocal 在多线程场景下的典型工作流程：
1.父线程设置 ThreadLocal 值：在父线程中使用 TransmittableThreadLocal 设置一些上下文信息，例如用户信息、请求 ID 等。
2.任务提交到线程池：父线程将任务提交给线程池执行，此时 TransmittableThreadLocal 会通过 capture() 方法捕获当前线程的 ThreadLocal 值。
3.子线程执行任务：在线程池中的某个子线程执行任务之前，TransmittableThreadLocal 的 replay() 方法会在子线程中恢复父线程的 ThreadLocal 值。
4.任务执行完成后清理上下文：任务执行结束后，TransmittableThreadLocal 的 restore() 方法会清理子线程中的 ThreadLocal 上下文，防止上下文污染。

五.TransmittableThreadLocal典型应用场景

TransmittableThreadLocal 特别适用于以下场景：

分布式追踪：在分布式系统中，传递请求上下文信息（如 Trace ID）到不同线程，保证日志或追踪信息的一致性。
异步任务处理：在异步任务执行中，需要传递用户会话信息或安全上下文到不同线程。线程池环境下的上下文传递：解决线程池复用带来的ThreadLocal 上下文传递问题。

六.小结

TransmittableThreadLocal 是对 ThreadLocal 和 InheritableThreadLocal的增强，解决了线程池复用和父子线程上下文传递问题。它在异步编程和多线程环境中，尤其是线程池场景下，有很大的应用价值，适用于需要传递线程上下文信息的各种场景，如分布式追踪、会话管理、日志追踪等。
使用异步编程的时候，我们肯定会接触到父子线程传值问题，如果不使用TransmittableThreadLocal就得自己手动设置到每个子线程里面去，很是麻烦。如果使用TransmittableThreadLocal需要注意线程池复用、子线程启动时机、线程池的上下文传播以及清理ThreadLocal避免内存泄漏哦！