多线程传递Context multi-thread context(MTC)

在使用线程池等会缓存线程的组件情况下，完成多线程的Context传递。JDK的java.lang.InheritableThreadLocal类可以完成父子线程的Context传递。但对于使用线程池等会缓存线程的组件的情况，线程由线程池创建好，并且线程是缓存起来反复使用的。这时父子线程关系的上下文传递已经没有意义，应用中要做上下文传递，实际上是在把 任务提交给线程池时的上下文传递到 任务执行时。

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需求场景 应用容器或上层框架跨应用代码给下层SDK传递信息

举个场景，App Engine（PAAS）上会运行由应用提供商提供的应用（SAAS模式）。多个SAAS用户购买并使用这个应用（即SAAS应用）。SAAS应用往往是一个实例为多个SAAS用户提供服务。
另一种模式是：SAAS用户使用完全独立一个SAAS应用，包含独立应用实例及其后的数据源（如DB、缓存，etc）。

需要避免的SAAS应用拿到多个SAAS用户的数据。

一个解决方法是处理过程关联一个SAAS用户的上下文，在上下文中应用只能处理（读&写）这个SAAS用户的数据。

请求由SAAS用户发起（如从Web请求进入App Engine），App Engine可以知道是从哪个SAAS用户，在Web请求时在上下文中设置好SAAS用户ID。

应用处理数据（DB、Web、消息 etc.）是通过App Engine提供的服务SDK来完成。当应用处理数据时，SDK检查数据所属的SAAS用户是否和上下文中的SAAS用户ID一致，如果不一致则拒绝数据的读写。

应用代码会使用线程池，并且这样的使用是正常的业务需求。SAAS用户ID的从要App Engine传递到下层SDK，要支持这样的用法。
日志记录系统上下文

App Engine的日志（如，SDK会记录日志）要记录系统上下文。由于不限制用户应用使用线程池，系统的上下文需要能跨线程的传递，且不影响应用代码。
上面场景使用MTC的整体构架 :

构架涉及3个角色：容器、用户应用、SDK。

整体流程：

1、请求进入PAAS容器，提取上下文信息并设置好上下文。
2、进入用户应用处理业务，业务调用SDK（如DB、消息、etc）。
3、用户应用会使用线程池，所以调用SDK的线程可能不是请求的线程。
4、进入SDK处理。
5、提取上下文的信息，决定是否符合拒绝处理。
整个过程中，上下文的传递 对于 用户应用代码 期望是透明的。

User Guide

使用类MtContextThreadLocal来保存上下文，并跨线程池传递。
MtContextThreadLocal继承java.lang.InheritableThreadLocal，使用方式也类似。
比java.lang.InheritableThreadLocal，添加了protected方法copy，用于定制 任务提交给线程池时的上下文传递到 任务执行时时的拷贝行为，缺省是传递的是引用。

具体使用方式见下面的说明。
1. 简单使用

父线程给子线程传递Context。

示例代码：

// 在父线程中设置 
MtContextThreadLocal<String> parent = new MtContextThreadLocal<String>(); 
parent.set("value-set-in-parent"); 
// 在子线程中可以读取, 值是"value-set-in-parent" 
String value = parent.get();

这是其实是java.lang.InheritableThreadLocal的功能，应该使用java.lang.InheritableThreadLocal来完成。

但对于使用了异步执行（往往使用线程池完成）的情况，线程由线程池创建好，并且线程是缓存起来反复使用的。

这时父子线程关系的上下文传递已经没有意义，应用中要做上下文传递，实际上是在把 任务提交给线程池时的上下文传递到 任务执行时。 解决方法参见下面的这几种用法。
2. 保证线程池中传递Context 2.1 修饰Runnable和Callable

使用com.alibaba.mtc.MtContextRunnable和com.alibaba.mtc.MtContextCallable来修饰传入线程池的Runnable和Callable。

示例代码：

MtContextThreadLocal<String> parent = new MtContextThreadLocal<String>(); 
parent.set("value-set-in-parent"); 
Runnable task = new Task("1"); 
// 额外的处理，生成修饰了的对象mtContextRunnable Runnable mtContextRunnable = MtContextRunnable.get(task); executorService.submit(mtContextRunnable); 
// Task中可以读取, 值是"value-set-in-parent" 
String value = parent.get();

//上面演示了Runnable，Callable的处理类似

MtContextThreadLocal<String> parent = new MtContextThreadLocal<String>(); 
parent.set("value-set-in-parent");
Callable call = new Call("1"); 
// 额外的处理，生成修饰了的对象mtContextCallable 
Callable mtContextCallable = MtContextCallable.get(call); executorService.submit(mtContextCallable); 
// Call中可以读取, 值是"value-set-in-parent" 
String value = parent.get();

这种使用方式的时序图 :

2.2 修饰线程池

省去每次Runnable和Callable传入线程池时的修饰，这个逻辑可以在线程池中完成。

通过工具类com.alibaba.mtc.threadpool.MtContextExecutors完成，有下面的方法：

getMtcExecutor：修饰接口Executor

getMtcExecutorService：修饰接口ExecutorService

ScheduledExecutorService：修饰接口ScheduledExecutorService

示例代码：

ExecutorService executorService = ... 
// 额外的处理，生成修饰了的对象executorService 
executorService = MtContextExecutors.getMtcExecutorService(executorService); MtContextThreadLocal<String> parent = new MtContextThreadLocal<String>(); 
parent.set("value-set-in-parent"); 
Runnable task = new Task("1"); 
Callable call = new Call("2"); executorService.submit(task); 
executorService.submit(call); 
// Task或是Call中可以读取, 值是"value-set-in-parent" 
String value = parent.get();

2.3 使用Java Agent来修饰JDK线程池实现类

这种方式，实现线程池的MtContext传递过程中，代码中没有修饰Runnble或是线程池的代码。
即可以做到应用代码 无侵入，后面文档有结合实际场景的架构对这一点的说明。

示例代码：

// 框架代码 MtContextThreadLocal parent = new MtContextThreadLocal(); 
parent.set("value-set-in-parent"); 
// 应用代码 ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3); 
Runnable task = new Task("1"); 
Callable call = new Call("2"); executorService.submit(task); 
executorService.submit(call); 
// Task或是Call中可以读取, 值是"value-set-in-parent" 
String value = parent.get();

Demo参见AgentDemo.java。

目前Agent中，修饰了jdk中的两个线程池实现类（实现代码在MtContextTransformer.java）：

java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor

java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor

在Java的启动参数加上：

-Xbootclasspath/a:/path/to/multithread.context-1.1.0.jar

-javaagent:/path/to/multithread.context-1.1.0.jar

注意：

Agent修改是JDK的类，类中加入了引用MTC的代码，所以MTC Agent的Jar要加到bootclasspath上。

Java命令行示例如下：

java -Xbootclasspath/a:multithread.context-1.1.0.jar \ -javaagent:multithread.context-1.1.0-SNAPSHOT.jar \ -cp classes \ com.alibaba.mtc.threadpool.agent.demo.AgentDemo

有Demo演示『使用Java Agent来修饰线程池实现类』，执行工程下的脚本run-agent-demo.sh即可运行Demo。
什么情况下，Java Agent的使用方式MtContext会失效？

由于Runnable和Callable的修饰代码，是在线程池类中插入的。下面的情况会让插入的代码被绕过，MtContext会失效。

用户代码中继承java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor和java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor， 覆盖了execute、submit、schedule等提交任务的方法，并且没有调用父类的方法。
修改线程池类的实现，execute、submit、schedule等提交任务的方法禁止这些被覆盖，可以规避这个问题。

目前，没有修饰java.util.Timer类，使用Timer时，MtContext会有问题。

Developer Guide Java Agent方式对应用代码无侵入

相对修饰Runnble或是线程池的方式，Java Agent方式为什么是应用代码无侵入的？

按框架图，把前面示例代码操作可以分成下面几部分：

读取信息设置到MtContext。
这部分在容器中完成，无需应用参与。

提交Runnable到线程池。要有修饰操作Runnable（无论是直接修饰Runnble还是修饰线程池）。
这部分操作一定是在用户应用中触发。

读取MtContext，做业务检查。
在SDK中完成，无需应用参与。

只有第2部分的操作和应用代码相关。

如果不通过Java Agent修饰线程池，则修饰操作需要应用代码来完成。

使用Java Agent方式，应用无需修改代码，即做到 相对应用代码 透明地完成跨线程池的上下文传递。
如何权衡Java Agent方式的失效情况

把这些失效情况都解决了是最好的，但复杂化了实现。下面是一些权衡：

不推荐使用Timer类，推荐用ScheduledThreadPoolExecutor。 ScheduledThreadPoolExecutor实现更强壮，并且功能更丰富。 如支持配置线程池的大小（Timer只有一个线程）；Timer在Runnable中抛出异常会中止定时执行。

覆盖了execute、submit、schedule的问题的权衡是： 业务上没有修改这些方法的需求。并且线程池类提供了beforeExecute方法用于插入扩展的逻辑。

已有Java Agent中嵌入MtContext Agent

这样可以减少Java命令上Agent的配置。

在自己的ClassFileTransformer中调用MtContextTransformer，
示例代码如下：

public class TransformerAdaptor implements ClassFileTransformer {
 final MtContextTransformer mtContextTransformer = new MtContextTransformer(); 
final byte[] transform = mtContextTransformer.transform( loader, className, classBeingRedefined, protectionDomain, classfileBuffer); 
if (transform != null) { 
    return transform; 
} 
// Your transform code ... 
return null; 
} 
}

注意还是要在bootclasspath上，加上MtContext依赖的2个Jar：

-Xbootclasspath/a:/path/to/multithread.context-1.1.0.jar:/path/to/your/agent/jar/files

Bootstrap上添加通用库的Jar的问题及解决方法

通过Java命令参数-Xbootclasspath把库的Jar加Bootstrap ClassPath上。Bootstrap ClassPath上的Jar中类会优先于应用ClassPath的Jar被加载，并且不能被覆盖。

MTC在Bootstrap ClassPath上添加了Javassist的依赖，如果应用中如果使用了Javassist，实际上会优先使用Bootstrap ClassPath上的Javassist，即应用不能选择Javassist的版本，应用需要的Javassist和MTC的Javassist有兼容性的风险。

可以通过repackage（重新命名包名）来解决这个问题。

Maven提供了Shade插件，可以完成repackage操作，并把Javassist的类加到MTC的Jar中。

这样就不需要依赖外部的Javassist依赖，也规避了依赖冲突的问题。

Java API Docs

当前版本的Java API文档地址： http://alibaba.github.io/multi-thread-context/apidocs/

Maven依赖
示例：

<dependency> 
<groupId>com.alibabagroupId>         <artifactId>multithread.contextartifactId>          <version>1.1.0version> 
dependency>

可以在 search.maven.org 查看可用的版本。

性能测试 内存泄漏

对比测试MtContextThreadLocal和ThreadLocal，测试Case是：

简单一个线程一直循环new MtContextThreadLocal、ThreadLocal实例，不主动做任何清理操作，即不调用ThreadLocal的remove方法主动清空。
验证结果

都可以持续运行，不会出内存溢出OutOfMemoryError。
执行方式

可以通过执行工程下的脚本来运行Case验证：

脚本run-memoryleak-ThreadLocal.sh运行ThreadLocal的测试。
测试类是NoMemoryLeak_ThreadLocal_NoRemove。

脚本run-memoryleak-MtContextThreadLocal.sh运行MtContextThreadLocal的测试。 测试类是NoMemoryLeak_MtContextThreadLocal_NoRemove。

TPS & 压力测试

对比测试MtContextThreadLocal和ThreadLocal，测试Case是：

2个线程并发一直循环new MtContextThreadLocal、ThreadLocal实例，不主动做任何清理操作，即不调用ThreadLocal的remove方法主动清空。
验证结果

在我的4核开发机上运行了24小时，稳定正常。

TPS结果如下：

ThreadLocal的TPS稳定在～41K：

……
tps: 42470
tps: 40940
tps: 41041
tps: 40408
tps: 40610

MtContextThreadLocal的TPS稳定在～40K：

……
tps: 40461
tps: 40101
tps: 39989
tps: 40684
tps: 41174

GC情况如下（1分钟输出一次）：
ThreadLocal的每分钟GC时间是5.45s，FGC次数是0.09：

S0	S1	E	O	P	YGC	YGCT	FGC	FGCT	GCT
0.00	97.66	0.00	8.33	12.70	1470935	2636.215	41	0.229	2636.444
97.66	0.00	0.00	17.18	12.70	1473968	2640.597	41	0.229	2640.825
98.44	0.00	0.00	25.47	12.70	1477020	2645.265	41	0.229	2645.493
96.88	0.00	33.04	34.03	12.70	1480068	2650.149	41	0.229	2650.378
0.00	97.66	14.01	41.82	12.70	1483113	2655.262	41	0.229	2655.490
0.00	97.66	74.07	50.25	12.70	1486149	2660.596	41	0.229	2660.825
96.88	0.00	0.00	58.32	12.70	1489170	2666.135	41	0.229	2666.364
98.44	0.00	26.07	67.05	12.70	1492162	2671.841	41	0.229	2672.070
0.00	97.66	0.00	76.50	12.70	1495139	2677.809	41	0.229	2678.038
0.00	97.66	0.00	85.95	12.70	1498091	2683.994	41	0.229	2684.222
96.88	0.00	0.00	96.50	12.70	1501038	2690.454	41	0.229	2690.683
97.66	0.00	0.00	7.96	12.70	1504054	2695.583	42	0.233	2695.816
0.00	97.66	0.00	17.46	12.70	1507099	2700.009	42	0.233	2700.241
0.00	97.66	0.00	26.97	12.70	1510133	2704.652	42	0.233	2704.885
97.66	0.00	0.00	36.57	12.70	1513158	2709.592	42	0.233	2709.825
0.00	97.66	0.00	45.59	12.70	1516167	2714.738	42	0.233	2714.971
98.44	0.00	0.00	54.49	12.70	1519166	2720.109	42	0.233	2720.342
0.00	98.44	0.00	63.52	12.70	1522141	2725.688	42	0.233	2725.921
0.00	97.66	84.18	72.00	12.70	1525139	2731.579	42	0.233	2731.812
0.00	98.44	20.04	80.10	12.70	1528121	2737.680	42	0.233	2737.913
0.00	97.66	28.06	87.70	12.70	1531093	2743.991	42	0.233	2744.224
0.00	98.44	0.00	95.63	12.70	1534055	2750.508	42	0.233	2750.741
97.66	0.00	0.00	4.75	12.70	1537062	2756.196	43	0.239	2756.435

MtContextThreadLocal的每分钟GC时间是5.29s，FGC次数是3.27：

S0	S1	E	O	P	YGC	YGCT	FGC	FGCT	GCT
0.00	98.44	8.01	57.38	12.80	1390879	2571.496	1572	9.820	2581.315
0.00	97.66	0.00	78.87	12.80	1393725	2576.784	1575	9.839	2586.623
98.44	0.00	14.04	5.83	12.80	1396559	2582.082	1579	9.866	2591.948
98.44	0.00	0.00	26.41	12.80	1399394	2587.274	1582	9.885	2597.159
98.44	98.44	0.00	50.75	12.80	1402230	2592.506	1585	9.904	2602.410
98.44	0.00	0.00	84.37	12.80	1405077	2597.808	1588	9.925	2607.733
0.00	98.44	0.00	5.19	12.80	1407926	2603.108	1592	9.952	2613.059
0.00	98.44	58.17	29.80	12.80	1410770	2608.314	1595	9.973	2618.287
99.22	0.00	0.00	54.14	12.80	1413606	2613.582	1598	9.992	2623.574
98.44	0.00	0.00	78.18	12.80	1416444	2618.881	1601	10.012	2628.893
0.00	97.66	0.00	7.36	12.80	1419275	2624.167	1605	10.038	2634.205
0.00	99.22	0.00	31.04	12.80	1422125	2629.391	1608	10.057	2639.448
0.00	98.44	0.00	60.41	12.80	1424974	2634.636	1611	10.077	2644.714
0.00	98.44	0.00	84.72	12.80	1427825	2639.929	1614	10.094	2650.024
0.00	97.66	0.00	12.32	12.80	1430679	2645.204	1618	10.119	2655.323
0.00	98.44	12.05	39.31	12.80	1433539	2650.442	1621	10.141	2660.583
86.81	0.00	0.00	67.40	12.80	1436392	2655.743	1624	10.156	2665.899
99.22	0.00	0.00	95.25	12.80	1439244	2661.071	1627	10.175	2671.246
98.44	0.00	0.00	24.63	12.80	1442090	2666.305	1631	10.201	2676.506
0.00	99.22	0.00	52.86	12.80	1444945	2671.546	1634	10.222	2681.769
98.44	0.00	0.00	80.38	12.80	1447802	2676.850	1637	10.241	2687.091
0.00	87.50	0.00	4.22	12.80	1450658	2682.196	1641	10.268	2692.464
99.22	0.00	0.00	33.22	12.80	1453507	2687.386	1644	10.290	2697.676

TPS略有下降的原因分析

使用jvisualvm Profile方法耗时，MtContextThreadLocalCase的热点方法和ThreadLocalCase一样。

略有下降可以认为是Full GC更多引起。

实际使用场景中，MtContextThreadLocal实例个数非常有限，不会有性能问题。
FGC次数增多的原因分析

在MtContextThreadLocal.holder中，持有MtContextThreadLocal实例的弱引用，减慢实例的回收，导致Full GC增加。

实际使用场景中，MtContextThreadLocal实例个数非常有限，不会有性能问题。
执行方式

可以通过执行工程下的脚本来运行Case验证：

脚本run-tps-ThreadLocal.sh运行ThreadLocal的测试。
测试类是CreateThreadLocalInstanceTps。

run-tps-MtContextThreadLocal.sh运行MtContextThreadLocal的测试。 测试类是CreateMtContextThreadLocalInstanceTps。

FAQ
Mac OS X下，使用javaagent，可能会报JavaLaunchHelper的出错信息。
JDK Bug: http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=8021205
可以换一个版本的JDK。我的开发机上1.7.0_40有这个问题，1.6.0_51、1.7.0_45可以运行。
1.7.0_45还是有JavaLaunchHelper的出错信息，但不影响运行。

相关资料 Jdk core classes

WeakHashMap

InheritableThreadLocal

Java Agent

Java Agent规范

Java SE 6 新特性: Instrumentation 新功能

Creation, dynamic loading and instrumentation with javaagents

JavaAgent加载机制分析

Javassist

Getting Started with Javassist

Shade插件

Maven的Shade插件