吊打 ThreadLocal，談?wù)凢astThreadLocal為啥能這么快？

來源：blog.csdn.net/mycs2012/article/details/90898128

1 FastThreadLocal的引入背景和原理簡介

既然jdk已經(jīng)有ThreadLocal，為何netty還要自己造個(gè)FastThreadLocal？FastThreadLocal快在哪里？

這需要從jdk ThreadLocal的本身說起。如下圖：

在java線程中，每個(gè)線程都有一個(gè)ThreadLocalMap實(shí)例變量（如果不使用ThreadLocal，不會(huì)創(chuàng)建這個(gè)Map，一個(gè)線程第一次訪問某個(gè)ThreadLocal變量時(shí)，才會(huì)創(chuàng)建）。

該Map是使用線性探測的方式解決hash沖突的問題，如果沒有找到空閑的slot，就不斷往后嘗試，直到找到一個(gè)空閑的位置，插入entry，這種方式在經(jīng)常遇到hash沖突時(shí)，影響效率。

FastThreadLocal(下文簡稱ftl)直接使用數(shù)組避免了hash沖突的發(fā)生，具體做法是：每一個(gè)FastThreadLocal實(shí)例創(chuàng)建時(shí)，分配一個(gè)下標(biāo)index；分配index使用AtomicInteger實(shí)現(xiàn)，每個(gè)FastThreadLocal都能獲取到一個(gè)不重復(fù)的下標(biāo)。

當(dāng)調(diào)用ftl.get()方法獲取值時(shí)，直接從數(shù)組獲取返回，如return array[index]，如下圖：

2 實(shí)現(xiàn)源碼分析

根據(jù)上文圖示可知，ftl的實(shí)現(xiàn)，涉及到InternalThreadLocalMap、FastThreadLocalThread和FastThreadLocal幾個(gè)類，自底向上，我們先從InternalThreadLocalMap開始分析。

InternalThreadLocalMap類的繼承關(guān)系圖如下：

2.1 UnpaddedInternalThreadLocalMap的主要屬性

static final ThreadLocal<InternalThreadLocalMap> slowThreadLocalMap = new ThreadLocal<InternalThreadLocalMap>();
static final AtomicInteger nextIndex = new AtomicInteger();
Object[] indexedVariables;

數(shù)組indexedVariables就是用來存儲(chǔ)ftl的value的，使用下標(biāo)的方式直接訪問。nextIndex在ftl實(shí)例創(chuàng)建時(shí)用來給每個(gè)ftl實(shí)例分配一個(gè)下標(biāo)，slowThreadLocalMap在線程不是ftlt時(shí)使用到。

2.2 InternalThreadLocalMap分析

InternalThreadLocalMap的主要屬性：

// 用于標(biāo)識(shí)數(shù)組的槽位還未使用
public static final Object UNSET = new Object();
/**
 * 用于標(biāo)識(shí)ftl變量是否注冊了cleaner
 * BitSet簡要原理：
 * BitSet默認(rèn)底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)long[]數(shù)組，開始時(shí)長度為1，即只有l(wèi)ong[0],而一個(gè)long有64bit。
 * 當(dāng)BitSet.set(1)的時(shí)候，表示將long[0]的第二位設(shè)置為true，即0000 0000 ... 0010（64bit）,則long[0]==2
 * 當(dāng)BitSet.get(1)的時(shí)候，第二位為1，則表示true；如果是0，則表示false
 * 當(dāng)BitSet.set(64)的時(shí)候，表示設(shè)置第65位，此時(shí)long[0]已經(jīng)不夠用了，擴(kuò)容處long[1]來，進(jìn)行存儲(chǔ)
 *
 * 存儲(chǔ)類似 {index:boolean} 鍵值對，用于防止一個(gè)FastThreadLocal多次啟動(dòng)清理線程
 * 將index位置的bit設(shè)為true，表示該InternalThreadLocalMap中對該FastThreadLocal已經(jīng)啟動(dòng)了清理線程
 */
private BitSet cleanerFlags; 

private InternalThreadLocalMap() {
        super(newIndexedVariableTable());
}

private static Object[] newIndexedVariableTable() {
        Object[] array = new Object[32];
        Arrays.fill(array, UNSET);
        return array;
}

比較簡單，newIndexedVariableTable()方法創(chuàng)建長度為32的數(shù)組，然后初始化為UNSET，然后傳給父類。之后ftl的值就保存到這個(gè)數(shù)組里面。

注意，這里保存的直接是變量值，不是entry，這是和jdk ThreadLocal不同的。InternalThreadLocalMap就先分析到這，其他方法在后面分析ftl再具體說。

2.3 ftlt的實(shí)現(xiàn)分析

要發(fā)揮ftl的性能優(yōu)勢，必須和ftlt結(jié)合使用，否則就會(huì)退化到j(luò)dk的ThreadLocal。ftlt比較簡單，關(guān)鍵代碼如下：

public class FastThreadLocalThread extends Thread {
  // This will be set to true if we have a chance to wrap the Runnable.
  private final boolean cleanupFastThreadLocals;
  
  private InternalThreadLocalMap threadLocalMap;
  
  public final InternalThreadLocalMap threadLocalMap() {
        return threadLocalMap;
  }
  public final void setThreadLocalMap(InternalThreadLocalMap threadLocalMap) {
        this.threadLocalMap = threadLocalMap;
  }
}  

ftlt的訣竅就在threadLocalMap屬性，它繼承java Thread，然后聚合了自己的InternalThreadLocalMap。后面訪問ftl變量，對于ftlt線程，都直接從InternalThreadLocalMap獲取變量值。

2.4 ftl實(shí)現(xiàn)分析

ftl實(shí)現(xiàn)分析基于netty-4.1.34版本，特別地聲明了版本，是因?yàn)樵谇宄牡胤?，該版本的源碼已經(jīng)注釋掉了ObjectCleaner的調(diào)用，和之前的版本有所不同。

2.4.1 ftl的屬性和實(shí)例化

private final int index;

public FastThreadLocal() {
    index = InternalThreadLocalMap.nextVariableIndex();
}

非常簡單，就是給屬性index賦值，賦值的靜態(tài)方法在InternalThreadLocalMap：

 public static int nextVariableIndex() {
        int index = nextIndex.getAndIncrement();
        if (index < 0) {
            nextIndex.decrementAndGet();
            throw new IllegalStateException("too many thread-local indexed variables");
        }
        return index;
  }

可見，每個(gè)ftl實(shí)例以步長為1的遞增序列，獲取index值，這保證了InternalThreadLocalMap中數(shù)組的長度不會(huì)突增。

2.4.2 get()方法實(shí)現(xiàn)分析

public final V get() {
    InternalThreadLocalMap threadLocalMap = InternalThreadLocalMap.get(); // 1
    Object v = threadLocalMap.indexedVariable(index); // 2
    if (v != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
        return (V) v;
    }

    V value = initialize(threadLocalMap); // 3
    registerCleaner(threadLocalMap);  // 4
    return value;
}

1.先來看看InternalThreadLocalMap.get()方法如何獲取threadLocalMap：

=======================InternalThreadLocalMap=======================  
  public static InternalThreadLocalMap get() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        if (thread instanceof FastThreadLocalThread) {
            return fastGet((FastThreadLocalThread) thread);
        } else {
            return slowGet();
        }
    }
    
  private static InternalThreadLocalMap fastGet(FastThreadLocalThread thread) {
        InternalThreadLocalMap threadLocalMap = thread.threadLocalMap();
        if (threadLocalMap == null) {
            thread.setThreadLocalMap(threadLocalMap = new InternalThreadLocalMap());
        }
        return threadLocalMap;
    }    

因?yàn)榻Y(jié)合FastThreadLocalThread使用才能發(fā)揮FastThreadLocal的性能優(yōu)勢，所以主要看fastGet方法。該方法直接從ftlt線程獲取threadLocalMap，還沒有則創(chuàng)建一個(gè)InternalThreadLocalMap實(shí)例并設(shè)置進(jìn)去，然后返回。

2.threadLocalMap.indexedVariable(index)就簡單了，直接從數(shù)組獲取值，然后返回：

  public Object indexedVariable(int index) {
        Object[] lookup = indexedVariables;
        return index < lookup.length? lookup[index] : UNSET;
    }

3.如果獲取到的值不是UNSET，那么是個(gè)有效的值，直接返回。如果是UNSET，則初始化。

initialize(threadLocalMap)方法：

  private V initialize(InternalThreadLocalMap threadLocalMap) {
        V v = null;
        try {
            v = initialValue();
        } catch (Exception e) {
            PlatformDependent.throwException(e);
        }

        threadLocalMap.setIndexedVariable(index, v); // 3-1
        addToVariablesToRemove(threadLocalMap, this); // 3-2
        return v;
    }

3.1.獲取ftl的初始值，然后保存到ftl里的數(shù)組，如果數(shù)組長度不夠則擴(kuò)充數(shù)組長度，然后保存，不展開。

3.2.addToVariablesToRemove(threadLocalMap, this)的實(shí)現(xiàn)，是將ftl實(shí)例保存在threadLocalMap內(nèi)部數(shù)組第0個(gè)元素的Set集合中。

此處不貼代碼，用圖示如下：

4.registerCleaner(threadLocalMap)的實(shí)現(xiàn)，netty-4.1.34版本中的源碼：

private void registerCleaner(final InternalThreadLocalMap threadLocalMap) {
        Thread current = Thread.currentThread();
        if (FastThreadLocalThread.willCleanupFastThreadLocals(current) || threadLocalMap.isCleanerFlagSet(index)) {
            return;
        }

        threadLocalMap.setCleanerFlag(index);

        // TODO: We need to find a better way to handle this.
        /*
        // We will need to ensure we will trigger remove(InternalThreadLocalMap) so everything will be released
        // and FastThreadLocal.onRemoval(...) will be called.
        ObjectCleaner.register(current, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                remove(threadLocalMap);

                // It's fine to not call InternalThreadLocalMap.remove() here as this will only be triggered once
                // the Thread is collected by GC. In this case the ThreadLocal will be gone away already.
            }
        });
        */
}

由于ObjectCleaner.register這段代碼在該版本已經(jīng)注釋掉，而余下邏輯比較簡單，因此不再做分析。

2.5 普通線程使用ftl的性能退化

隨著get()方法分析完畢，set(value)方法原理也呼之欲出，限于篇幅，不再單獨(dú)分析。

前文說過，ftl要結(jié)合ftlt才能最大地發(fā)揮其性能，如果是其他的普通線程，就會(huì)退化到j(luò)dk的ThreadLocal的情況，因?yàn)槠胀ň€程沒有包含InternalThreadLocalMap這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，接下來我們看如何退化。

從InternalThreadLocalMap的get()方法看起：

=======================InternalThreadLocalMap=======================  
  public static InternalThreadLocalMap get() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        if (thread instanceof FastThreadLocalThread) {
            return fastGet((FastThreadLocalThread) thread);
        } else {
            return slowGet();
        }
    }

  private static InternalThreadLocalMap slowGet() {
       // 父類的類型為jdk ThreadLocald的靜態(tài)屬性，從該threadLocal獲取InternalThreadLocalMap
        ThreadLocal<InternalThreadLocalMap> slowThreadLocalMap = UnpaddedInternalThreadLocalMap.slowThreadLocalMap;
        InternalThreadLocalMap ret = slowThreadLocalMap.get();
        if (ret == null) {
            ret = new InternalThreadLocalMap();
            slowThreadLocalMap.set(ret);
        }
        return ret;
    }

從ftl看，退化操作的整個(gè)流程是：從一個(gè)jdk的ThreadLocal變量中獲取InternalThreadLocalMap，然后再從InternalThreadLocalMap獲取指定數(shù)組下標(biāo)的值，對象關(guān)系示意圖：

3 ftl的資源回收機(jī)制

在netty中對于ftl提供了三種回收機(jī)制：

自動(dòng)： 使用ftlt執(zhí)行一個(gè)被FastThreadLocalRunnable wrap的Runnable任務(wù)，在任務(wù)執(zhí)行完畢后會(huì)自動(dòng)進(jìn)行ftl的清理。

手動(dòng)： ftl和InternalThreadLocalMap都提供了remove方法，在合適的時(shí)候用戶可以（有的時(shí)候也是必須，例如普通線程的線程池使用ftl）手動(dòng)進(jìn)行調(diào)用，進(jìn)行顯示刪除。

自動(dòng)： 為當(dāng)前線程的每一個(gè)ftl注冊一個(gè)Cleaner，當(dāng)線程對象不強(qiáng)可達(dá)的時(shí)候，該Cleaner線程會(huì)將當(dāng)前線程的當(dāng)前ftl進(jìn)行回收。（netty推薦如果可以用其他兩種方式，就不要再用這種方式，因?yàn)樾枰砥鹁€程，耗費(fèi)資源，而且多線程就會(huì)造成一些資源競爭，在netty-4.1.34版本中，已經(jīng)注釋掉了調(diào)用ObjectCleaner的代碼。）

4 ftl在netty中的使用

ftl在netty中最重要的使用，就是分配ByteBuf。基本做法是：每個(gè)線程都分配一塊內(nèi)存(PoolArena)，當(dāng)需要分配ByteBuf時(shí)，線程先從自己持有的PoolArena分配，如果自己無法分配，再采用全局分配。

但是由于內(nèi)存資源有限，所以還是會(huì)有多個(gè)線程持有同一塊PoolArena的情況。不過這種方式已經(jīng)最大限度地減輕了多線程的資源競爭，提高程序效率。

具體的代碼在PoolByteBufAllocator的內(nèi)部類PoolThreadLocalCache中：

  final class PoolThreadLocalCache extends FastThreadLocal<PoolThreadCache> {

    @Override
        protected synchronized PoolThreadCache initialValue() {
            final PoolArena<byte[]> heapArena = leastUsedArena(heapArenas);
            final PoolArena<ByteBuffer> directArena = leastUsedArena(directArenas);

            Thread current = Thread.currentThread();
            if (useCacheForAllThreads || current instanceof FastThreadLocalThread) {
              // PoolThreadCache即為各個(gè)線程持有的內(nèi)存塊的封裝  
              return new PoolThreadCache(
                        heapArena, directArena, tinyCacheSize, smallCacheSize, normalCacheSize,
                        DEFAULT_MAX_CACHED_BUFFER_CAPACITY, DEFAULT_CACHE_TRIM_INTERVAL);
            }
            // No caching so just use 0 as sizes.
            return new PoolThreadCache(heapArena, directArena, 0, 0, 0, 0, 0);
        }
    }   

參考資料

• Netty源碼分析3 - FastThreadLocal 框架的設(shè)計(jì)
• Netty進(jìn)階：自頂向下解析FastThreadLocal

1. 字符編碼，不走索引的元兇之一
2. 一女程序員因薪酬等問題離職，rm -f * 刪庫，癱瘓 6 個(gè)小時(shí)，被判 9 個(gè)月
3. MySQL8.0新特性：直方圖
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