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

# 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：

# 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 slowThreadLocalMap = new ThreadLocal();static final AtomicInteger nextIndex = new AtomicInteger();Object[] indexedVariables;

數(shù)組indexedVariables就是用來存儲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)識數(shù)組的槽位還未使用public static final Object UNSET = new Object();/** * 用于標(biāo)識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 * * 存儲類似 {index:boolean} 鍵值對，用于防止一個(gè)FastThreadLocal多次啟動清理線程 * 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 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：

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

手動：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）手動進(jìn)行調(diào)用，進(jìn)行顯示刪除。

自動：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。）

# ftl在netty中的使用

ftl在netty中最重要的使用，就是分配ByteBuf?；咀龇ㄊ牵好總€(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?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);        }    }

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

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