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零 前期准备
0 FBI WARNING
文章异常啰嗦且绕弯。
1 版本
JDK 版本 : OpenJDK 11.0.1
IDE : idea 2018.3
Netty 版本 : netty-all 4.1.34.Final
2 FastThreadLocal 简介
FastThreadLocal 是 Netty 中实现的高性能 ThreadLocal 工具，功能上和 ThreadLocal 差不多，但是性能上远高于 jdk 自带的 ThreadLocal。
3 Demo
import io.netty.util.concurrent.FastThreadLocal;
public class FastThreadLocalDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建 FastThreadLocal 对象
FastThreadLocal<String> tl = new FastThreadLocal<>();
//FastThreadLocal 的存入功能
long setBegin = System.nanoTime();
tl.set(“test”);
long setAfter = System.nanoTime();
System.out.println(“get : ” + (setAfter – setBegin));
//FastThreadLocal 的获取功能
long getBegin = System.nanoTime();
String fastGet = tl.get();
long getAfter = System.nanoTime();
System.out.println(“get : ” + (getAfter – getBegin));
//FastThreadLocal 的移除功能
long removeBegin = System.nanoTime();
tl.remove();
long removeAfter = System.nanoTime();
System.out.println(“remove : ” + (removeAfter – removeBegin));
}
}
一 FastThreadLocal 的创建
回到 Demo 中的创建代码：
FastThreadLocal<String> tl = new FastThreadLocal<>();
追踪 FastThreadLocal 的构造器：
//step 1
//FastThreadLocal.class
public FastThreadLocal() {
//index 是一个 int 类型的变量
index = InternalThreadLocalMap.nextVariableIndex();
}
//step 2
//InternalThreadLocalMap.class
public static int nextVariableIndex() {
//nextIndex 是一个定义在 UnpaddedInternalThreadLocalMap 类中的静态 AtomicInteger 类型对象
//UnpaddedInternalThreadLocalMap 是 InternalThreadLocalMap 的父类
// 这里使用自增操作获取一个 int 值，并返回
int index = nextIndex.getAndIncrement();
if (index < 0) {
nextIndex.decrementAndGet();
throw new IllegalStateException(“too many thread-local indexed variables”);
}
return index;
}
其实 FastThreadLocal 的创建就只是获取一个唯一的 int 值作为标识，没有其它操作了。
二 InternalThreadLocalMap
InternalThreadLocalMap 是 FastThreadLocal 底层真正起作用的 ThreadLocal 类，并且提供了大量的静态方法。
1 获取对象
最为核心的是 InternalThreadLocalMap 的 get() 方法：
//InternalThreadLocalMap.class
public static InternalThreadLocalMap get() {
// 获取当前线程的线程对象
Thread thread = Thread.currentThread();
// 判断线程对象的类型
if (thread instanceof FastThreadLocalThread) {
// 在 Netty 中使用的 FastThreadLocal 的时候会用到该类型的方法
return fastGet((FastThreadLocalThread) thread);
} else {
// 正常情况下单独使用 FastThreadLocal，线程对象不会是 FastThreadLocalThread
return slowGet();
}
}
先来看 fastGet()：
//InternalThreadLocalMap.class
private static InternalThreadLocalMap fastGet(FastThreadLocalThread thread) {
// 直接获取 FastThreadLocalThread 中的 threadLocalMap 对象并返回即可
InternalThreadLocalMap threadLocalMap = thread.threadLocalMap();
// 为空的话新建一个
if (threadLocalMap == null) {
thread.setThreadLocalMap(threadLocalMap = new InternalThreadLocalMap());
}
return threadLocalMap;
}
再来看 slowGet()：
//InternalThreadLocalMap.class
private static InternalThreadLocalMap slowGet() {
// 获取 UnpaddedInternalThreadLocalMap 中的 slowThreadLocalMap 对象
//slowThreadLocalMap 是一个静态的 ThreadLocal 类型对象，储存的数据类型是 InternalThreadLocalMap
ThreadLocal<InternalThreadLocalMap> slowThreadLocalMap = UnpaddedInternalThreadLocalMap.slowThreadLocalMap;
// 获取该对象中的 InternalThreadLocalMap 对象实例并返回
InternalThreadLocalMap ret = slowThreadLocalMap.get();
// 为空的情况下新建一个
if (ret == null) {
ret = new InternalThreadLocalMap();
slowThreadLocalMap.set(ret);
}
return ret;
}
可以看到实际上对于 FastThreadLocal 来说，真正起作用的是 InternalThreadLocalMap 对象。
在普通的线程中，这个对象由于本身没有 jdk 的原生支持，所以只能附着在 ThreadLocal 对象当中。
但是由于 UnpaddedInternalThreadLocalMap 中的 slowThreadLocalMap 本身是一个静态的 ThreadLocal 对象，所以不同的线程实际上调用到的都是同一个对象，但是获取到的 InternalThreadLocalMap 却不是同一个。同一个线程中如果创建多个 FastThreadLocal 对象，获取到的是同一个 InternalThreadLocalMap。
2 set
InternalThreadLocalMap 的底层储存是一个 Object 数组，通过 setIndexedVariable(…) 方法储存进去：
//InternalThreadLocalMap.class
public boolean setIndexedVariable(int index, Object value) {
//indexedVariables 是一个定义在 UnpaddedInternalThreadLocalMap 中的 Object 数组
Object[] lookup = indexedVariables;
// 在这里需要判断数组的长度问题
//index 是每个 FastThreadLocal 创建的时候都会获取的唯一标识码，同时也是数组上的位置
if (index < lookup.length) {
// 获取原值
Object oldValue = lookup[index];
// 赋值
lookup[index] = value;
//UNSET 是一个静态的 Object 对象，用于默认填充 lookup 数组
// 此处 oldValue 如果等于 UNSET，则证明该位置上原来不存在对象储存
// 如果是已经储存过对象，又调用该方法替换了一次，会返回 false
return oldValue == UNSET;
} else {
// 数组扩容
expandIndexedVariableTableAndSet(index, value);
return true;
}
}
3 get
InternalThreadLocalMap 中获取值的方法是通过 indexedVariable(…) 方法：
//InternalThreadLocalMap.class
public Object indexedVariable(int index) {
// 根据 index 从数组中获取到想要的位置的值
Object[] lookup = indexedVariables;
return index < lookup.length? lookup[index] : UNSET;
}
4 remove
InternalThreadLocalMap 中删除值的方法是通过 indexedVariable(…) 方法：
//InternalThreadLocalMap.class
public Object removeIndexedVariable(int index) {
// 获取数组
Object[] lookup = indexedVariables;
if (index < lookup.length) {
Object v = lookup[index];
// 将指定位置的值替换成 UNSET 对象
lookup[index] = UNSET;
return v;
} else {
return UNSET;
}
}
InternalThreadLocalMap 还有一个静态的 remove() 方法用于清除自身：
//InternalThreadLocalMap.class
public static void remove() {
Thread thread = Thread.currentThread();
if (thread instanceof FastThreadLocalThread) {
((FastThreadLocalThread) thread).setThreadLocalMap(null);
} else {
slowThreadLocalMap.remove();
}
}
代码比较简单，不做过多分析。
二 存入元素
回到 Demo 中的存入元素的代码：
tl.set(“test”);
追踪 get(…) 方法：
//step 1
//FastThreadLocal.class
public final void set(V value) {
// 先判断 value 不是 UNSET 对象
if (value != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
// 获取 InternalThreadLocalMap 对象
InternalThreadLocalMap threadLocalMap = InternalThreadLocalMap.get();
//setKnownNotUnset(…) 方法会将 value 存入 threadLocalMap 中
if (setKnownNotUnset(threadLocalMap, value)) {
// 此处会清理已经被 gc 回收的线程对象所储存的值
registerCleaner(threadLocalMap);
}
} else {
remove();
}
}
//step 2
//FastThreadLocal.class
private boolean setKnownNotUnset(InternalThreadLocalMap threadLocalMap, V value) {
// 调用 setIndexedVariable(…) 方法去存储 value，具体见上方 InternalThreadLocalMap 的详细解读
if (threadLocalMap.setIndexedVariable(index, value)) {
//addToVariablesToRemove(…) 方法会将 FastThreadLocal 对象存放到 threadLocalMap 中的一个集合中
// 这个集合用于在需要的时候集中销毁 FastThreadLocal
addToVariablesToRemove(threadLocalMap, this);
return true;
}
return false;
}
三 获取元素
回到 Demo 中获取元素的代码：
String fastGet = tl.get();
追踪 set(…) 方法：
//FastThreadLocal.class
public final V get() {
// 获取 InternalThreadLocalMap 对象
InternalThreadLocalMap threadLocalMap = InternalThreadLocalMap.get();
// 从 InternalThreadLocalMap 中获取值
Object v = threadLocalMap.indexedVariable(index);
// 如果存在值，则直接返回该值即可
if (v != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
return (V) v;
}
// 不存在的情况下，initialize(…) 会返回一个 null 值
V value = initialize(threadLocalMap);
//gc 处理
registerCleaner(threadLocalMap);
// 返回 null
return value;
}
三 移除元素
回到 Demo 中移除元素的代码：
String fastGet = tl.get();
追踪 remove(…) 方法：
//step 1
//FastThreadLocal.class
public final void remove() {
//InternalThreadLocalMap 的 getIfSet() 方法会获取 InternalThreadLocalMap 对象
remove(InternalThreadLocalMap.getIfSet());
}
//step 2
//FastThreadLocal.class
public final void remove(InternalThreadLocalMap threadLocalMap) {
// 有效性验证
if (threadLocalMap == null) {
return;
}
// 清除值
Object v = threadLocalMap.removeIndexedVariable(index);
// 到之前 threadLocalMap 中保存 FastThreadLocal 对象的集合里去删除对象
removeFromVariablesToRemove(threadLocalMap, this);
if (v != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
try {
// 此方法为空，是预留的一个处理方法，使用者也可以自己做实现
onRemoval((V) v);
} catch (Exception e) {
PlatformDependent.throwException(e);
}
}
}
四 内存管理
在真实的开发环境中，可能会存在一个线程使用了此 FastThreadLocal，然后线程完成之后被 gc 回收了，但是该 FastThreadLocal 的值没有被回收的情况。
所以在 FastThreadLocal 中就由一个防止内存泄漏的方法 registerCleaner(…)：
//FastThreadLocal.class
private void registerCleaner(final InternalThreadLocalMap threadLocalMap) {
Thread current = Thread.currentThread();
// 如果 FastThreadLocalThread 被标记为要被清理，或者 index 这个位置的元素并不被收录于清理目录下，则直接返回
if (FastThreadLocalThread.willCleanupFastThreadLocals(current) || threadLocalMap.isCleanerFlagSet(index)) {
return;
}
// 将 index 收录到清理目录中
threadLocalMap.setCleanerFlag(index);
// 下方代码是防止内存泄漏的核心代码，但是已经被注释掉了
// 值得一提的是，在以前的 Netty 版本中是存在的，但是在笔者追踪的 4.1.34 版本中被注释掉了
// 根据解释，是官方觉得这种处理方式不够优雅，所以暂时将此段代码注释掉了，并且打上了 TODO 字样
// ObjectCleaner.register(current, new Runnable() {
// @Override
// public void run() {
// remove(threadLocalMap);
// }
// });
}
五 一点唠叨
FastThreadLocal 对比 jdk 的原生 ThreadLocal，性能优势主要表现在以下几个方面：
1、Netty 基于自己的业务需求，对线程对象进行了封装，并在此过程中内嵌了对 FastThreadLocal 的支持
2、FastThreadLocal 中省略了 ThreadLocal 中的节点对象的组装和 Hash 值的计算过程，结构更加简单，存、拿过程的效率更高
3、ThreadLocal 对于内存的控制比 FastThreadLocal 更加严谨，消耗更多的精力去进行内存检查和清理
4、FastThreadLocal 中静态 (static) 方法的使用更加频繁，是典型的以空间换时间的做法
本文仅为个人的学习笔记，可能存在错误或者表述不清的地方，有缘补充
