1. 如何建立Looper？
Looper的構造方法為private，是以不能直接使用其構造方法建立。
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
要想在目前線程建立Looper，需使用Looper的prepare方法，Looper.prepare()。
如果現在要我們來實作Looper.prepare()這個方法，我們該怎麼做？我們知道，Android中一個線程最多隻能有一個Looper，若在已有Looper的線程中調用Looper.prepare()會抛出RuntimeException(“Only one Looper may be created per thread”)。面對這樣的需求，我們可能會考慮使用一個HashMap，其中Key為線程ID，Value為與線程關聯的Looper，再加上一些同步機制，實作Looper.prepare()這個方法，代碼如下：
public class Looper {
static final HashMap<Long, Looper> looperRegistry = new HashMap<Long, Looper>();
private static void prepare() {
synchronized(Looper.class) {
long currentThreadId = Thread.currentThread().getId();
Looper l = looperRegistry.get(currentThreadId);
if (l != null)
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
looperRegistry.put(currentThreadId, new Looper(true));
}
}
...
}
上述方法對Looper.class對象進行了加鎖，這些加鎖開銷有可能造成性能瓶頸。
有沒有更好的方法實作Looper.prepare()方法？看一看Android的中Looper的源碼。
public class Looper {
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
public static void prepare() {
prepare(true);
}
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
if (sThreadLocal.get() != null) {
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
...
}
prepare()方法中調用了ThreadLocal的get和set方法，然而整個過程沒有添加同步鎖，Looper是如何實作線程安全的?
2. ThreadLocal
ThreadLocal位于java.lang包中，以下是JDK文檔中對該類的描述
Implements a thread-local storage, that is, a variable for which each thread has its own value. All threads share the same ThreadLocal object, but each sees a different value when accessing it, and changes made by one thread do not affect the other threads. The implementation supports null values.
大緻意思是，ThreadLocal實作了線程本地存儲。所有線程共享同一個ThreadLocal對象，但不同線程僅能通路與其線程相關聯的值，一個線程修改ThreadLocal對象對其他線程沒有影響。
ThreadLocal為編寫多線程并發程式提供了一個新的思路。如下圖所示，我們可以将ThreadLocal了解為一塊存儲區，将這一大塊存儲區分割為多塊小的存儲區，每一個線程擁有一塊屬于自己的存儲區，那麼對自己的存儲區操作就不會影響其他線程。對于ThreadLocal<Looper>，則每一小塊存儲區中就儲存了與特定線程關聯的Looper。
3. ThreadLocal的内部實作原理
3.1 Thread、ThreadLocal和Values的關系
Thread的成員變量localValues代表了線程特定變量，類型為ThreadLocal.Values。由于線程特定變量可能會有多個，并且類型不确定，是以ThreadLocal.Values有一個table成員變量，類型為Object數組。這個localValues可以了解為二維存儲區中與特定線程相關的一列。
ThreadLocal類則相當于一個代理，真正操作線程特定存儲區table的是其内部類Values。
3.2 set方法
public void set(T value) {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
Values values = values(currentThread);
if (values == null) {
values = initializeValues(currentThread);
}
values.put(this, value);
}
Values values(Thread current) {
return current.localValues;
}
既然與特定線程相關，是以先擷取目前線程，然後擷取目前線程特定存儲，即Thread中的localValues，若localValues為空，則建立一個，最後将value存入values中。
void put(ThreadLocal<?> key, Object value) {
cleanUp();
// Keep track of first tombstone. That's where we want to go back
// and add an entry if necessary.
int firstTombstone = -;
for (int index = key.hash & mask;; index = next(index)) {
Object k = table[index];
if (k == key.reference) {
// Replace existing entry.
table[index + ] = value;
return;
}
if (k == null) {
if (firstTombstone == -) {
// Fill in null slot.
table[index] = key.reference;
table[index + ] = value;
size++;
return;
}
// Go back and replace first tombstone.
table[firstTombstone] = key.reference;
table[firstTombstone + ] = value;
tombstones--;
size++;
return;
}
// Remember first tombstone.
if (firstTombstone == - && k == TOMBSTONE) {
firstTombstone = index;
}
}
}
從put方法中，ThreadLocal的reference和值都會存進table，索引分别為index和index+1。
對于Looper這個例子，
table[index] = sThreadLocal.reference;(指向自己的一個弱引用)
table[index + 1] = 與目前線程關聯的Looper。
3.3 get方法
public T get() {
// Optimized for the fast path.
Thread currentThread = Thread.currentThread();
Values values = values(currentThread);
if (values != null) {
Object[] table = values.table;
int index = hash & values.mask;
if (this.reference == table[index]) {
return (T) table[index + ];
}
} else {
values = initializeValues(currentThread);
}
return (T) values.getAfterMiss(this);
}
首先取出與線程相關的Values，然後在table中尋找ThreadLocal的reference對象在table中的位置，然後傳回下一個位置所存儲的對象，即ThreadLocal的值，在Looper這個例子中就是與目前線程關聯的Looper對象。
從set和get方法可以看出，其所操作的都是目前線程的localValues中的table數組，是以不同線程調用同一個ThreadLocal對象的set和get方法互不影響，這就是ThreadLocal為解決多線程程式的并發問題提供了一種新的思路。
4. ThreadLocal背後的設計思想Thread-Specific Storage模式
Thread-Specific Storage讓多個線程能夠使用相同的”邏輯全局“通路點來擷取線程本地的對象，避免了每次通路對象的鎖定開銷。
4.1 Thread-Specific Storage模式的起源
errno機制被廣泛用于一些作業系統平台。errno 是記錄系統的最後一次錯誤代碼。對于單線程程式，在全局作用域内實作errno的效果不錯，但在多線程作業系統中，多線程并發可能導緻一個線程設定的errno值被其他線程錯誤解讀。當時很多遺留庫和應用程式都是基于單線程編寫，為了在不修改既有接口和遺留代碼的情況下，解決多線程通路errno的問題，Thread-Specific Storage模式誕生。
4.2 Thread-Specific Storage模式的總體結構
線程特定對象，相當于Looper。
線程特定對象集包含一組與特定線程相關聯的線程特定對象。每個線程都有自己的線程特定對象集。相當于ThreadLocal.Values。線程特定對象集可以存儲線上程内部或外部。Win32、Pthread和Java都對線程特定資料有支援，這種情況下線程特定對象集可以存儲線上程内部。
線程特定對象代理，讓用戶端能夠像通路正常對象一樣通路線程特定對象。如果沒有代理，用戶端必須直接通路線程特定對象集并顯示地使用鍵。相當于ThreadLocal<Looper>。
從概念上講，可将Thread-Specific Storage的結構視為一個二維矩陣，每個鍵對應一行，每個線程對應一列。第k行、第t列的矩陣元素為指向相應線程特定對象的指針。線程特定對象代理和線程特定對象集協作，向應用程式線程提供一種通路第k行、第t列對象的安全機制。注意，這個模型隻是類比。實際上Thread-Specific Storage模式的實作并不是使用二維矩陣，因為鍵不一定是相鄰整數。
參考資料
- Thread-local storage
- 面向模式的軟體架構·卷2：并發和聯網對象模式