前言
如今,在 Java 开发中，日志的打印输出是必不可少的，Slf4j + LogBack 的组合是最通用的方式。
有了日志之后，我们就可以追踪各种线上问题。但是，在分布式系统中，各种无关日志穿行其中，导致我们可能无法直接定位整个操作流程。因此，我们可能需要对一个用户的操作流程进行归类标记，比如使用线程+时间戳，或者用户身份标识等；如此，我们可以从大量日志信息中grep出某个用户的操作流程，或者某个时间的流转记录。
因此，这就有了 Slf4j MDC 方法。
Slf4j MDC 介绍
MDC ( Mapped Diagnostic Contexts )，顾名思义，其目的是为了便于我们诊断线上问题而出现的方法工具类。虽然，Slf4j 是用来适配其他的日志具体实现包的，但是针对 MDC功能，目前只有logback 以及 log4j 支持，或者说由于该功能的重要性，slf4j 专门为logback系列包装接口提供外部调用(玩笑～：）)。
logback 和 log4j 的作者为同一人，所以这里统称logback系列。
先来看看 MDC 对外提供的接口：
public class MDC {
//Put a context value as identified by key
//into the current thread's context map.
public static void put(String key, String val);
//Get the context identified by the key parameter.
public static String get(String key);
//Remove the context identified by the key parameter.
public static void remove(String key);
//Clear all entries in the MDC.
public static void clear();
}
接口定义非常简单，此外，其使用也非常简单。
如上代码所示，一般，我们在代码中，只需要将指定的值put到线程上下文的Map中，然后，在对应的地方使用 get方法获取对应的值。此外，对于一些线程池使用的应用场景，可能我们在最后使用结束时，需要调用clear方法来清洗将要丢弃的数据。
然后，看看一个MDC使用的简单示例。
public class LogTest {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(LogTest.class);
public static void main(String[] args) {
MDC.put("THREAD_ID", String.valueOf(Thread.currentThread().getId()));
logger.info("纯字符串信息的info级别日志");
}
}
然后看看logback的输出模板配置：
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration>
<property name="log.base" value="${catalina.base}/logs" />
<contextListener class="ch.qos.logback.classic.jul.LevelChangePropagator">
<resetJUL>true</resetJUL>
</contextListener>
<appender name="console" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
<encoder charset="UTF-8">
<pattern>[%d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss} %highlight(%-5p) %logger.%M\(%F:%L\)] %X{THREAD_ID} %msg%n</pattern>
</encoder>
</appender>
<root level="INFO">
<appender-ref ref="console" />
</root>
</configuration>
于是，就有了输出：
[2015-04-30 15:34:35 INFO io.github.ketao1989.log4j.LogTest.main(LogTest.java:29)] 1 纯字符串信息的info级别日志
当我们在web应用中，对服务的所有请求前进行filter拦截，然后加上自定义的唯一标识到MDC中，就可以在所有日志输出中，清楚看到某用户的操作流程。关于web MDC，会单独一遍博客介绍。
此外，关于logback 是如何将模板中的变量替换成具体的值，会在下一节分析。
在日志模板logback.xml 中，使用 %X{ }来占位，替换到对应的 MDC 中 key 的值。
前置知识介绍
InheritableThreadLocal 介绍
在代码开发中，经常使用 ThreadLocal来保证在同一个线程中共享变量。在 ThreadLocal 中，每个线程都拥有了自己独立的一个变量，线程间不存在共享竞争发生，并且它们也能最大限度的由CPU调度，并发执行。显然这是一种以空间来换取线程安全性的策略。
但是，ThreadLocal有一个问题，就是它只保证在同一个线程间共享变量，也就是说如果这个线程起了一个新线程，那么新线程是不会得到父线程的变量信息的。因此，为了保证子线程可以拥有父线程的某些变量视图，JDK提供了一个数据结构，InheritableThreadLocal。
javadoc 文档对 InheritableThreadLocal 说明：
该类扩展了 ThreadLocal，为子线程提供从父线程那里继承的值：在创建子线程时，子线程会接收所有可继承的线程局部变量的初始值，以获得父线程所具有的值。通常，子线程的值与父线程的值是一致的；但是，通过重写这个类中的 childValue 方法，子线程的值可以作为父线程值的一个任意函数。
当必须将变量（如用户 ID 和 事务 ID）中维护的每线程属性（per-thread-attribute）自动传送给创建的所有子线程时，应尽可能地采用可继承的线程局部变量，而不是采用普通的线程局部变量。
代码对比可以看出两者区别：
ThreadLocal
public class ThreadLocal<T> {
/**
* Method childValue is visibly defined in subclass
* InheritableThreadLocal, but is internally defined here for the
* sake of providing createInheritedMap factory method without
* needing to subclass the map class in InheritableThreadLocal.
* This technique is preferable to the alternative of embedding
* instanceof tests in methods.
*/
T childValue(T parentValue) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
}
InheritableThreadLocal
public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
/**
* Computes the child's initial value for this inheritable thread-local
* variable as a function of the parent's value at the time the child
* thread is created. This method is called from within the parent
* thread before the child is started.
* <p>
* This method merely returns its input argument, and should be overridden
* if a different behavior is desired.
*
* @param parentValue the parent thread's value
* @return the child thread's initial value
*/
protected T childValue(T parentValue) {
return parentValue;
}
/**
* Get the map associated with a ThreadLocal.
*
* @param t the current thread
*/
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.inheritableThreadLocals;
}
/**
* Create the map associated with a ThreadLocal.
*
* @param t the current thread
* @param firstValue value for the initial entry of the table.
* @param map the map to store.
*/
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
}
// 这个是开发时一般使用的类，直接copy父线程的变量
public class CopyOnInheritThreadLocal extends
InheritableThreadLocal<HashMap<String, String>> {
/**
* Child threads should get a copy of the parent's hashmap.
*/
@Override
protected HashMap<String, String> childValue(
HashMap<String, String> parentValue) {
if (parentValue == null) {
return null;
} else {
return new HashMap<String, String>(parentValue);
}
}
}
为了支持InheritableThreadLocal的父子线程传递变量，JDK在Thread中，定义了ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals 属性。该属性变量在线程初始化的时候，如果父线程的该变量不为null，则会把其值复制到ThreadLocal。
从上面的代码实现，还可以看到，如果我们使用原生的 InheritableThreadLocal类则在子线程中修改变量，可能会影响到父线程的变量值，及其他子线程的值。因此，一般我们推荐没有特殊情况，最好使用CopyOnInheritThreadLocal类，该实现是新建一个map来保持值，而不是直接使用父线程的引用。
Log MDC 实现分析
Slf4j MDC 实现分析
Slf4j 的实现原则就是调用底层具体实现类，比如logback,logging等包；而不会去实现具体的输出打印等操作。因此，除了前文中介绍的门面(Facade)模式外，提供这种功能的还有适配器(Adapter)模式和装饰(Decorator)模式。
MDC 使用的就是Decorator模式，虽然，其类命名为M MDCAdapter。
Slf4j MDC 内部实现很简单。实现一个单例对应实例，获取具体的MDC实现类，然后其对外接口，就是对参数进行校验，然后调用 MDCAdapter 的方法实现。
实现源码如下：
public class MDC {
static MDCAdapter mdcAdapter;
private MDC() {
}
static {
try {
mdcAdapter = StaticMDCBinder.SINGLETON.getMDCA();
} catch (NoClassDefFoundError ncde) {
//......
}
public static void put(String key, String val)
throws IllegalArgumentException {
if (key == null) {
throw new IllegalArgumentException("key parameter cannot be null");
}
if (mdcAdapter == null) {
throw new IllegalStateException("MDCAdapter cannot be null. See also "
+ NULL_MDCA_URL);
}
mdcAdapter.put(key, val);
}
public static String get(String key) throws IllegalArgumentException {
if (key == null) {
throw new IllegalArgumentException("key parameter cannot be null");
}
if (mdcAdapter == null) {
throw new IllegalStateException("MDCAdapter cannot be null. See also "
+ NULL_MDCA_URL);
}
return mdcAdapter.get(key);
}
} }
对于Slf4j的MDC 部分非常简单，MDC的核心实现是在logback方法中的。
在 logback 中，提供了 LogbackMDCAdapter类，其实现了MDCAdapter接口。基于性能的考虑，logback 对于InheritableThreadLocal的使用做了一些优化工作。
Logback MDC 实现分析
Logback 中基于 MDC 实现了LogbackMDCAdapter 类，其 get 方法实现很简单，但是 put 方法会做一些优化操作。
关于 put 方法，主要有：使用原始的InheritableThreadLocal<Map<String, String>>类，而不是使用子线程复制类 CopyOnInheritThreadLocal。这样，运行时可以大量避免不必要的copy操作，节省CPU消耗，毕竟在大量log操作中，子线程会很少去修改父线程中的key-value值。
由于上一条的优化，所以代码实现上实现了一个写时复制版本的 InheritableThreadLocal。实现会根据上一次操作来确定是否需要copy一份新的引用map，而不是去修改老的父线程的map引用。
此外，和 log4j 不同，其map中的val可以为null。
下面给出，get 和 put 的代码实现：
public final class LogbackMDCAdapter implements MDCAdapter {
final InheritableThreadLocal<Map<String, String>> copyOnInheritThreadLocal = new InheritableThreadLocal<Map<String, String>();
private static final int WRITE_OPERATION = 1;
private static final int READ_OPERATION = 2;
// keeps track of the last operation performed
final ThreadLocal<Integer> lastOperation = new ThreadLocal<Integer>();
private Integer getAndSetLastOperation(int op) {
Integer lastOp = lastOperation.get();
lastOperation.set(op);
return lastOp;
}
private boolean wasLastOpReadOrNull(Integer lastOp) {
return lastOp == null || lastOp.intValue() == READ_OPERATION;
}
private Map<String, String> duplicateAndInsertNewMap(Map<String, String> oldMap) {
Map<String, String> newMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, String>());
if (oldMap != null) {
// we don't want the parent thread modifying oldMap while we are
// iterating over it
synchronized (oldMap) {
newMap.putAll(oldMap);
}
}
copyOnInheritThreadLocal.set(newMap);
return newMap;
}
public void put(String key, String val) throws IllegalArgumentException {
if (key == null) {
throw new IllegalArgumentException("key cannot be null");
}
Map<String, String> oldMap = copyOnInheritThreadLocal.get();
Integer lastOp = getAndSetLastOperation(WRITE_OPERATION);
if (wasLastOpReadOrNull(lastOp) || oldMap == null) {
// 当上一次操作是read时，这次write，则需要new
Map<String, String> newMap = duplicateAndInsertNewMap(oldMap);
newMap.put(key, val);
} else {
// 写的话，已经new了就不需要再new
oldMap.put(key, val);
}
}
/**
* Get the context identified by the <code>key</code> parameter.
* <p/>
*/
public String get(String key) {
Map<String, String> map = getPropertyMap();
if ((map != null) && (key != null)) {
return map
