Android怎样保证一个线程最多仅仅能有一个Looper？

1. 怎样创建Looper？

Looper的构造方法为private，所以不能直接使用其构造方法创建。

private Looper(boolean quitAllowed) {
    mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
    mThread = Thread.currentThread();
}

要想在当前线程创建Looper。需使用Looper的prepare方法，Looper.prepare()。
假设如今要我们来实现Looper.prepare()这种方法，我们该怎么做？我们知道，Android中一个线程最多仅仅能有一个Looper，若在已有Looper的线程中调用Looper.prepare()会抛出RuntimeException(“Only one Looper may be created per thread”)。

面对这种需求，我们可能会考虑使用一个HashMap，当中Key为线程ID，Value为与线程关联的Looper，再加上一些同步机制，实现Looper.prepare()这种方法，代码例如以下：

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));
        }
    }
    ...
}

上述方法对Looper.class对象进行了加锁。这些加锁开销有可能造成性能瓶颈。
有没有更好的方法实现Looper.prepare()方法？看一看Android的中Looper的源代码。

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()方法中调用了ThreadLocal的get和set方法。然而整个过程没有加入同步锁，Looper是怎样实现线程安全的?

2. ThreadLocal

ThreadLocal位于java.lang包中，下面是JDK文档中对该类的描写叙述

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.

大致意思是，ThreadLocal实现了线程本地存储。

全部线程共享同一个ThreadLocal对象，但不同线程仅能訪问与其线程相关联的值。一个线程改动ThreadLocal对象对其它线程没有影响。

ThreadLocal为编写多线程并发程序提供了一个新的思路。例如以下图所看到的，我们能够将ThreadLocal理解为一块存储区，将这一大块存储区切割为多块小的存储区。每一个线程拥有一块属于自己的存储区，那么对自己的存储区操作就不会影响其它线程。对于ThreadLocal<Looper>，则每一小块存储区中就保存了与特定线程关联的Looper。

3. ThreadLocal的内部实现原理

3.1 Thread、ThreadLocal和Values的关系

Thread的成员变量localValues代表了线程特定变量，类型为ThreadLocal.Values。由于线程特定变量可能会有多个，而且类型不确定，所以ThreadLocal.Values有一个table成员变量，类型为Object数组。这个localValues能够理解为二维存储区中与特定线程相关的一列。
ThreadLocal类则相当于一个代理。真正操作线程特定存储区table的是其内部类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;
}

既然与特定线程相关，所以先获取当前线程，然后获取当前线程特定存储，即Thread中的localValues，若localValues为空。则创建一个，最后将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 = -1;

    for (int index = key.hash & mask;; index = next(index)) {
        Object k = table[index];

        if (k == key.reference) {
            // Replace existing entry.
            table[index + 1] = value;
            return;
        }

        if (k == null) {
            if (firstTombstone == -1) {
                // Fill in null slot.
                table[index] = key.reference;
                table[index + 1] = value;
                size++;
                return;
            }

            // Go back and replace first tombstone.
            table[firstTombstone] = key.reference;
            table[firstTombstone + 1] = value;
            tombstones--;
            size++;
            return;
        }

        // Remember first tombstone.
        if (firstTombstone == -1 && k == TOMBSTONE) {
            firstTombstone = index;
        }
    }
}

从put方法中，ThreadLocal的reference和值都会存进table，索引分别为index和index+1。
对于Looper这个样例，
table[index] = sThreadLocal.reference;(指向自己的一个弱引用)
table[index + 1] = 与当前线程关联的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 + 1];
        }
    } else {
        values = initializeValues(currentThread);
    }

    return (T) values.getAfterMiss(this);
}

首先取出与线程相关的Values，然后在table中寻找ThreadLocal的reference对象在table中的位置。然后返回下一个位置所存储的对象。即ThreadLocal的值，在Looper这个样例中就是与当前线程关联的Looper对象。

从set和get方法能够看出，其所操作的都是当前线程的localValues中的table数组。所以不同线程调用同一个ThreadLocal对象的set和get方法互不影响，这就是ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。

4. ThreadLocal背后的设计思想Thread-Specific Storage模式

Thread-Specific Storage让多个线程能够使用同样的”逻辑全局“訪问点来获取线程本地的对象。避免了每次訪问对象的锁定开销。

4.1 Thread-Specific Storage模式的起源

errno机制被广泛用于一些操作系统平台。

errno 是记录系统的最后一次错误代码。对于单线程程序。在全局作用域内实现errno的效果不错，但在多线程操作系统中，多线程并发可能导致一个线程设置的errno值被其它线程错误解读。

当时非常多遗留库和应用程序都是基于单线程编写，为了在不改动既有接口和遗留代码的情况下。解决多线程訪问errno的问题，Thread-Specific Storage模式诞生。

4.2 Thread-Specific Storage模式的整体结构

线程特定对象，相当于Looper。
线程特定对象集包括一组与特定线程相关联的线程特定对象。

每一个线程都有自己的线程特定对象集。

相当于ThreadLocal.Values。

线程特定对象集能够存储在线程内部或外部。Win32、Pthread和Java都对线程特定数据有支持，这种情况下线程特定对象集能够存储在线程内部。
线程特定对象代理，让client能够像訪问常规对象一样訪问线程特定对象。假设没有代理，client必须直接訪问线程特定对象集并显示地使用键。

相当于ThreadLocal<Looper>。

从概念上讲。可将Thread-Specific Storage的结构视为一个二维矩阵，每一个键相应一行。每一个线程相应一列。第k行、第t列的矩阵元素为指向相应线程特定对象的指针。线程特定对象代理和线程特定对象集协作，向应用程序线程提供一种訪问第k行、第t列对象的安全机制。

注意。这个模型仅仅是类比。实际上Thread-Specific Storage模式的实现并非使用二维矩阵，由于键不一定是相邻整数。

參考资料

1. Thread-local storage
2. 面向模式的软件架构·卷2：并发和联网对象模式