Android怎樣保證一個線程最多僅僅能有一個Looper？
1. 怎樣創建Looper？
Looper的構造方法為private，所以不能直接使用其構造方法創建。
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}要想在當前線程創建Looper。需使用Looper的prepare方法，Looper.prepare()。
假設如今要我們來實現Looper.prepare()這種方法，我們該怎麽做？我們知道，Android中一個線程最多僅僅能有一個Looper，若在已有Looper的線程中調用Looper.prepare()會拋出RuntimeException(“Only one Looper may be created per thread”)。
面對這種需求，我們可能會考慮使用一個HashMap，當中Key為線程ID，Value為與線程關聯的Looper，再加上一些同步機制，實現Looper.prepare()這種方法，代碼例如以下：
public class Looper {
static final HashMap<Long, Looper> looperRegistry = new HashMap<Long, Looper>();
private static void prepare() {
synchronized(Looper.class) {
long 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現Looper.prepare()方法？看一看Android的中Looper的源代碼。
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。然而整個過程沒有加入同步鎖，Looper是怎樣實現線程安全的?
2. ThreadLocal
ThreadLocal位於java.lang包中，下面是JDK文檔中對該類的描寫敘述
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實現了線程本地存儲。
全部線程共享同一個ThreadLocal對象，但不同線程僅能訪問與其線程相關聯的值。一個線程改動ThreadLocal對象對其它線程沒有影響。
ThreadLocal為編寫多線程並發程序提供了一個新的思路。例如以下圖所看到的，我們能夠將ThreadLocal理解為一塊存儲區，將這一大塊存儲區切割為多塊小的存儲區。每一個線程擁有一塊屬於自己的存儲區，那麽對自己的存儲區操作就不會影響其它線程。對於ThreadLocal<Looper>，則每一小塊存儲區中就保存了與特定線程關聯的Looper。
3. ThreadLocal的內部實現原理
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。由於線程特定變量可能會有多個，而且類型不確定，所以ThreadLocal.Values有一個table成員變量，類型為Object數組。這個localValues能夠理解為二維存儲區中與特定線程相關的一列。
ThreadLocal類則相當於一個代理。真正操作線程特定存儲區table的是其內部類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，所以先獲取當前線程，然後獲取當前線程特定存儲，即Thread中的localValues，若localValues為空。則創建一個，最後將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;
}
}
}從put方法中，ThreadLocal的reference和值都會存進table，索引分別為index和index+1。
對於Looper這個樣例，
table[index] = sThreadLocal.reference;(指向自己的一個弱引用)
table[index + 1] = 與當前線程關聯的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 + 1];
}
} 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。然後返回下一個位置所存儲的對象。即ThreadLocal的值，在Looper這個樣例中就是與當前線程關聯的Looper對象。
從set和get方法能夠看出，其所操作的都是當前線程的localValues中的table數組。所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為解決多線程程序的並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同樣的”邏輯全局“訪問點來獲取線程本地的對象。避免了每次訪問對象的鎖定開銷。
4.1 Thread-Specific Storage模式的起源
errno機制被廣泛用於一些操作系統平臺。
errno 是記錄系統的最後一次錯誤代碼。對於單線程程序。在全局作用域內實現errno的效果不錯，但在多線程操作系統中，多線程並發可能導致一個線程設置的errno值被其它線程錯誤解讀。
當時非常多遺留庫和應用程序都是基於單線程編寫，為了在不改動既有接口和遺留代碼的情況下。解決多線程訪問errno的問題，Thread-Specific Storage模式誕生。
4.2 Thread-Specific Storage模式的整體結構
線程特定對象，相當於Looper。
線程特定對象集包括一組與特定線程相關聯的線程特定對象。
每一個線程都有自己的線程特定對象集。
相當於ThreadLocal.Values。
線程特定對象集能夠存儲在線程內部或外部。Win32、Pthread和Java都對線程特定數據有支持，這種情況下線程特定對象集能夠存儲在線程內部。
線程特定對象代理，讓client能夠像訪問常規對象一樣訪問線程特定對象。假設沒有代理，client必須直接訪問線程特定對象集並顯示地使用鍵。
相當於ThreadLocal<Looper>。
從概念上講。可將Thread-Specific Storage的結構視為一個二維矩陣，每一個鍵相應一行。每一個線程相應一列。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，向應用程序線程提供一種訪問第k行、第t列對象的安全機制。
註意。這個模型僅僅是類比。實際上Thread-Specific Storage模式的實現並非使用二維矩陣，由於鍵不一定是相鄰整數。
參考資料
- Thread-local storage
- 面向模式的軟件架構·卷2：並發和聯網對象模式
Android怎樣保證一個線程最多僅僅能有一個Looper？