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ScopedValues跨线程边界传递失败？StructuredTaskScope与Carrier线程变量捕获

ScopedValues、跨线程边界传递与StructuredTaskScope、Carrier线程变量捕获

大家好，今天我们来深入探讨一下Java中ScopedValue在跨线程边界传递时可能遇到的问题，以及如何利用StructuredTaskScope和Carrier线程变量捕获机制来解决这些问题。我们将会通过具体的代码示例，分析问题的原因，并提供切实可行的解决方案。

1. ScopedValue简介与基本使用

ScopedValue是Java 20引入的一个轻量级的依赖注入机制，旨在简化线程局部变量的使用，并提供更安全、更可靠的跨线程数据传递方式。与传统的ThreadLocal相比，ScopedValue具有以下优点：

  • 不可变性: ScopedValue一旦设置就不可更改，避免了意外修改导致的数据不一致。
  • 隐式传递: 无需显式地将ScopedValue传递给每个方法，只要在合适的范围内绑定了值，就可以在整个调用链中访问。
  • 避免内存泄漏: ScopedValue在绑定范围结束后会自动释放，避免了像ThreadLocal那样可能存在的内存泄漏问题。

下面是一个简单的ScopedValue的使用示例：

import java.util.concurrent.ScopedValue;

public class ScopedValueExample {

    private static final ScopedValue<String> USER_ID = ScopedValue.newInstance();

    public static void main(String[] args) {
        // 在绑定范围内设置 ScopedValue 的值
        ScopedValue.where(USER_ID, "user123", () -> {
            // 在此范围内可以访问 USER_ID
            System.out.println("User ID in main thread: " + USER_ID.get());
            processData();
        });

        // 绑定范围结束后，USER_ID 的值不再可用
        try {
            System.out.println("User ID after main thread: " + USER_ID.get()); // 会抛出 NoSuchElementException
        } catch (NoSuchElementException e) {
            System.out.println("ScopedValue is not bound here.");
        }
    }

    private static void processData() {
        // 可以在其他方法中直接访问 USER_ID
        System.out.println("User ID in processData method: " + USER_ID.get());
    }
}

在这个例子中，USER_ID被绑定到值"user123"，然后在main方法和processData方法中都可以访问到这个值。当ScopedValue.where方法执行完毕后，绑定范围结束，USER_ID的值不再可用。

2. ScopedValue跨线程传递的挑战

尽管ScopedValue提供了方便的依赖注入机制，但在跨线程传递时，它并不能像InheritableThreadLocal那样自动将父线程的值传递给子线程。这是因为ScopedValue的设计目标是提供更严格的控制，避免意外的数据共享。

考虑以下场景：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScopedValue;

public class ScopedValueCrossThread {

    private static final ScopedValue<String> TRANSACTION_ID = ScopedValue.newInstance();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);

        ScopedValue.where(TRANSACTION_ID, "tx-123", () -> {
            System.out.println("Transaction ID in main thread: " + TRANSACTION_ID.get());

            executor.submit(() -> {
                try {
                    System.out.println("Transaction ID in worker thread: " + TRANSACTION_ID.get()); // 会抛出 NoSuchElementException
                } catch (NoSuchElementException e) {
                    System.out.println("ScopedValue is not bound in worker thread.");
                }
            });
        });

        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(1, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS);
    }
}

在这个例子中，我们在主线程中绑定了TRANSACTION_ID，然后提交一个任务给线程池。然而，在工作线程中尝试访问TRANSACTION_ID时，会抛出NoSuchElementException，因为ScopedValue并没有自动传递到子线程。

3. StructuredTaskScope：控制并发任务的生命周期

StructuredTaskScope是Java 20引入的另一个强大的并发工具，它允许我们创建结构化的并发任务，并精确控制任务的生命周期。StructuredTaskScope主要用于以下场景：

  • 并发任务的取消: 可以方便地取消所有并发任务，并在任务完成后执行清理操作。
  • 异常处理: 可以集中处理并发任务中的异常，避免异常被忽略。
  • 结果聚合: 可以收集并发任务的结果，并将它们组合成一个最终结果。

StructuredTaskScope本身并不能解决ScopedValue的跨线程传递问题，但它可以为我们提供一个更清晰的并发编程模型，方便我们集成其他解决方案。

下面是一个简单的StructuredTaskScope的使用示例：

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.StructuredTaskScope;
import java.util.concurrent.Future;

public class StructuredTaskScopeExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        try (var scope = new StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure()) {
            Future<String> task1 = scope.fork(() -> {
                Thread.sleep(100);
                return "Result from task 1";
            });

            Future<String> task2 = scope.fork(() -> {
                Thread.sleep(200);
                return "Result from task 2";
            });

            scope.join(); // 等待所有任务完成
            scope.throwIfFailed(); // 如果有任何任务失败，抛出异常

            System.out.println("Task 1 result: " + task1.resultNow());
            System.out.println("Task 2 result: " + task2.resultNow());
        } // scope 关闭，如果任务仍在运行，则会被取消
    }
}

在这个例子中，我们使用StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure创建了一个任务范围，如果任何一个任务失败，整个范围都会被关闭，所有未完成的任务都会被取消。

4. Carrier线程变量捕获：显式传递ScopedValue

为了解决ScopedValue的跨线程传递问题，我们需要显式地将ScopedValue的值传递给子线程。Java 21引入了Carrier线程变量捕获机制，可以方便地实现这一点。

Carrier线程变量捕获允许我们捕获当前线程中的ScopedValue，并将它们传递给新的线程。这可以通过Thread.Builder来实现。

下面是一个使用Carrier线程变量捕获的示例：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScopedValue;

public class ScopedValueCrossThreadCarrier {

    private static final ScopedValue<String> TRANSACTION_ID = ScopedValue.newInstance();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);

        ScopedValue.where(TRANSACTION_ID, "tx-123", () -> {
            System.out.println("Transaction ID in main thread: " + TRANSACTION_ID.get());

            Thread.Builder builder = Thread.ofVirtual().inheritContext(); // 创建一个继承上下文的线程构建器

            executor.submit(builder.unstarted(() -> {
                try {
                    System.out.println("Transaction ID in worker thread: " + TRANSACTION_ID.get());
                } catch (NoSuchElementException e) {
                    System.out.println("ScopedValue is not bound in worker thread.");
                }
            }));
        });

        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(1, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS);
    }
}

在这个例子中，我们使用Thread.ofVirtual().inheritContext()创建了一个线程构建器。inheritContext()方法指示线程构建器捕获当前线程中的所有ScopedValue，并将它们传递给新的线程。因此，在工作线程中可以成功访问到TRANSACTION_ID的值。

注意： inheritContext() 方法会捕获所有 ScopedValue 和 InheritableThreadLocal 的值。 如果只想捕获特定的 ScopedValue， 可以使用 Thread.Builder.inheritCarrierValues(ScopedValue...) 方法。

5. 结合StructuredTaskScope与Carrier线程变量捕获

我们可以将StructuredTaskScope和Carrier线程变量捕获结合起来，创建一个更健壮、更易于维护的并发程序。

下面是一个结合StructuredTaskScope和Carrier线程变量捕获的示例：

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.ScopedValue;
import java.util.concurrent.StructuredTaskScope;

public class ScopedValueStructuredTaskScope {

    private static final ScopedValue<String> USER_ID = ScopedValue.newInstance();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        ScopedValue.where(USER_ID, "user456", () -> {
            System.out.println("User ID in main thread: " + USER_ID.get());

            try (var scope = new StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure()) {
                Thread.Builder builder = Thread.ofVirtual().inheritContext();

                Future<String> task1 = scope.fork(builder.unstarted(() -> {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                        return "Result from task 1, User ID: " + USER_ID.get();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                        return "Task 1 interrupted";
                    }
                }));

                Future<String> task2 = scope.fork(builder.unstarted(() -> {
                    try {
                        Thread.sleep(200);
                        return "Result from task 2, User ID: " + USER_ID.get();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                        return "Task 2 interrupted";
                    }
                }));

                scope.join();
                scope.throwIfFailed();

                System.out.println("Task 1 result: " + task1.resultNow());
                System.out.println("Task 2 result: " + task2.resultNow());
            }
        });
    }
}

在这个例子中，我们首先在主线程中绑定了USER_ID，然后使用StructuredTaskScope创建了一个任务范围。在创建并发任务时，我们使用Thread.ofVirtual().inheritContext()创建了一个继承上下文的线程构建器，确保USER_ID的值能够传递到子线程。这样，我们就可以在子线程中安全地访问USER_ID，并利用StructuredTaskScope管理并发任务的生命周期。

6. ScopedValue、ThreadLocal和InheritableThreadLocal的对比

为了更好地理解ScopedValue的特性，我们将其与传统的ThreadLocal和InheritableThreadLocal进行对比：

特性 ScopedValue ThreadLocal InheritableThreadLocal
可变性 不可变 可变 可变
传递性 默认不传递，需显式使用Carrier线程变量捕获 不传递 传递给子线程
生命周期管理 自动，基于绑定范围 手动，需要手动移除 手动，需要手动移除
适用场景 依赖注入，需要在特定范围内共享不可变数据 线程私有数据，需要在线程内共享可变数据 需要在父子线程之间共享可变数据
避免内存泄漏 容易，绑定范围结束后自动释放 需要手动移除，否则可能导致内存泄漏 需要手动移除，否则可能导致内存泄漏
线程安全 安全 不安全，需要外部同步 不安全，需要外部同步

7. 最佳实践与注意事项

在使用ScopedValue和Carrier线程变量捕获时，需要注意以下几点：

  • 谨慎使用inheritContext(): inheritContext()会捕获所有ScopedValue和InheritableThreadLocal的值，可能会导致不必要的数据传递。如果只需要传递特定的ScopedValue，可以使用Thread.Builder.inheritCarrierValues(ScopedValue...)方法。
  • 避免在长时间运行的线程中绑定ScopedValue: 如果在长时间运行的线程中绑定了ScopedValue，可能会导致内存占用过高。应该尽量将ScopedValue的绑定范围限制在尽可能小的范围内。
  • 合理选择线程类型: 使用虚拟线程可以降低线程创建和管理的开销，提高程序的并发性能。但虚拟线程并不总是最佳选择，需要根据具体的应用场景进行评估。
  • 使用StructuredTaskScope管理并发任务: StructuredTaskScope可以帮助我们更好地管理并发任务的生命周期，避免资源泄漏和异常被忽略。
  • 注意异常处理: 在并发任务中，需要妥善处理异常，避免异常导致程序崩溃。StructuredTaskScope提供了方便的异常处理机制，可以集中处理并发任务中的异常。

8. 跨线程传递ScopedValue的实用技巧

以下是一些在实际开发中跨线程传递ScopedValue的实用技巧：

  • 封装线程创建过程: 创建一个工具类或方法来封装线程的创建过程，在该方法中使用 Thread.Builder.inheritContext() 或 Thread.Builder.inheritCarrierValues(ScopedValue...) 来传递 ScopedValue。 这样可以避免在每个线程创建的地方都重复编写相同的代码。

  • 使用拦截器或过滤器: 在Web应用或微服务架构中，可以使用拦截器或过滤器来在请求处理的开始阶段绑定 ScopedValue，并在请求处理结束时解除绑定。 这样可以确保 ScopedValue 在整个请求处理过程中都可用，并且能够正确地传递到子线程。

  • 使用上下文传递对象: 创建一个上下文传递对象，该对象包含需要传递的 ScopedValue 的值。 在主线程中创建该对象，并将其传递给子线程。 子线程可以使用该对象来访问 ScopedValue 的值。 这种方法可以避免直接使用 Thread.Builder.inheritContext() 或 Thread.Builder.inheritCarrierValues(ScopedValue...)， 从而提高代码的可读性和可维护性。

9. 基于实际案例的分析

假设我们正在开发一个在线购物平台，需要跟踪每个用户的购物车信息。我们可以使用ScopedValue来存储用户的购物车ID，并在不同的线程中访问该ID。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScopedValue;

public class ShoppingCartExample {

    private static final ScopedValue<String> CART_ID = ScopedValue.newInstance();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);

        // 模拟用户请求
        String userId = "user789";
        String cartId = "cart-" + userId;

        ScopedValue.where(CART_ID, cartId, () -> {
            System.out.println("Cart ID in main thread: " + CART_ID.get());

            // 提交订单处理任务
            Thread.Builder builder = Thread.ofVirtual().inheritContext();
            executor.submit(builder.unstarted(() -> {
                try {
                    System.out.println("Cart ID in order processing thread: " + CART_ID.get());
                    processOrder(CART_ID.get());
                } catch (NoSuchElementException e) {
                    System.out.println("ScopedValue is not bound in order processing thread.");
                }
            }));

            // 提交推荐商品计算任务
            executor.submit(builder.unstarted(() -> {
                try {
                    System.out.println("Cart ID in recommendation thread: " + CART_ID.get());
                    calculateRecommendations(CART_ID.get());
                } catch (NoSuchElementException e) {
                    System.out.println("ScopedValue is not bound in recommendation thread.");
                }
            }));
        });

        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(1, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS);
    }

    private static void processOrder(String cartId) {
        // 处理订单逻辑
        System.out.println("Processing order for cart: " + cartId);
    }

    private static void calculateRecommendations(String cartId) {
        // 计算推荐商品逻辑
        System.out.println("Calculating recommendations for cart: " + cartId);
    }
}

在这个例子中，我们首先为每个用户生成一个唯一的购物车ID，并将其绑定到CART_ID。然后，我们使用Thread.Builder.inheritContext()创建继承上下文的线程，将CART_ID传递给订单处理线程和推荐商品计算线程。这样，我们就可以在这些线程中安全地访问用户的购物车ID，并执行相应的业务逻辑。

通过这个案例，我们可以看到ScopedValue和Carrier线程变量捕获在实际开发中的应用价值。它们可以帮助我们更好地管理线程上下文，并避免手动传递数据的繁琐和错误。

线程变量跨越边界的桥梁

总结一下，ScopedValue本身并不支持跨线程传递，但通过Java 21引入的Carrier线程变量捕获机制，我们可以方便地将ScopedValue的值传递给子线程。结合StructuredTaskScope，我们可以构建更健壮、更易于维护的并发程序，从而提高程序的性能和可靠性。关键在于理解ScopedValue的不可变性和作用域特性，并结合Thread.Builder的inheritContext()或inheritCarrierValues()方法来显式地控制线程变量的传递。

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