学习一波Netty封装的FastThreadLocal
1 FastThreadLocal的引入背景和原理简介
既然jdk已经有ThreadLocal,为何netty还要自己造个FastThreadLocal?FastThreadLocal快在哪里?
这需要从jdk ThreadLocal的本身说起。如下图:
在java线程中,每个线程都有一个ThreadLocalMap实例变量(如果不使用ThreadLocal,不会创建这个Map,一个线程第一次访问某个ThreadLocal变量时,才会创建)。
该Map是使用线性探测的方式解决hash冲突的问题,如果没有找到空闲的slot,就不断往后尝试,直到找到一个空闲的位置,插入entry,这种方式在经常遇到hash冲突时,影响效率。
FastThreadLocal(下文简称ftl)直接使用数组避免了hash冲突的发生,具体做法是:每一个FastThreadLocal实例创建时,分配一个下标index;分配index使用AtomicInteger实现,每个FastThreadLocal都能获取到一个不重复的下标。
当调用 ftl.get() 方法获取值时,直接从数组获取返回,如return array[index] ,如下图:
2 实现源码分析
根据上文图示可知,ftl的实现,涉及到InternalThreadLocalMap、FastThreadLocalThread和FastThreadLocal几个类,自底向上,我们先从InternalThreadLocalMap开始分析。
InternalThreadLocalMap类的继承关系图如下:
2.1 UnpaddedInternalThreadLocalMap的主要属性static final ThreadLocal slowThreadLocalMap = new ThreadLocal(); static final AtomicInteger nextIndex = new AtomicInteger(); Object[] indexedVariables;
数组indexedVariables就是用来存储ftl的value的,使用下标的方式直接访问。nextIndex在ftl实例创建时用来给每个ftl实例分配一个下标,slowThreadLocalMap在线程不是ftlt时使用到。 2.2 InternalThreadLocalMap分析
InternalThreadLocalMap的主要属性: // 用于标识数组的槽位还未使用 public static final Object UNSET = new Object(); /** * 用于标识ftl变量是否注册了cleaner * BitSet简要原理: * BitSet默认底层数据结构是一个long[]数组,开始时长度为1,即只有long[0],而一个long有64bit。 * 当BitSet.set(1)的时候,表示将long[0]的第二位设置为true,即0000 0000 ... 0010(64bit),则long[0]==2 * 当BitSet.get(1)的时候,第二位为1,则表示true;如果是0,则表示false * 当BitSet.set(64)的时候,表示设置第65位,此时long[0]已经不够用了,扩容处long[1]来,进行存储 * * 存储类似 {index:boolean} 键值对,用于防止一个FastThreadLocal多次启动清理线程 * 将index位置的bit设为true,表示该InternalThreadLocalMap中对该FastThreadLocal已经启动了清理线程 */ private BitSet cleanerFlags; private InternalThreadLocalMap() { super(newIndexedVariableTable()); } private static Object[] newIndexedVariableTable() { Object[] array = new Object[32]; Arrays.fill(array, UNSET); return array; }
比较简单, newIndexedVariableTable() 方法创建长度为32的数组,然后初始化为UNSET,然后传给父类。之后ftl的值就保存到这个数组里面。
注意,这里保存的直接是变量值,不是entry,这是和jdk ThreadLocal不同的。InternalThreadLocalMap就先分析到这,其他方法在后面分析ftl再具体说。 2.3 ftlt的实现分析
要发挥ftl的性能优势,必须和ftlt结合使用,否则就会退化到jdk的ThreadLocal。ftlt比较简单,关键代码如下: 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的诀窍就在threadLocalMap属性,它继承java Thread,然后聚合了自己的InternalThreadLocalMap。后面访问ftl变量,对于ftlt线程,都直接从InternalThreadLocalMap获取变量值。 2.4 ftl实现分析
ftl实现分析基于netty-4.1.34版本,特别地声明了版本,是因为在清除的地方,该版本的源码已经注释掉了ObjectCleaner的调用,和之前的版本有所不同。 2.4.1 ftl的属性和实例化private final int index; public FastThreadLocal() { index = InternalThreadLocalMap.nextVariableIndex(); }
非常简单,就是给属性index赋值,赋值的静态方法在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; }
可见,每个ftl实例以步长为1的递增序列,获取index值,这保证了InternalThreadLocalMap中数组的长度不会突增。 2.4.2 get()方法实现分析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.先来看看 InternalThreadLocalMap.get() 方法如何获取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; }
因为结合FastThreadLocalThread使用才能发挥FastThreadLocal的性能优势,所以主要看fastGet方法。该方法直接从ftlt线程获取threadLocalMap,还没有则创建一个InternalThreadLocalMap实例并设置进去,然后返回。
2. threadLocalMap.indexedVariable(index) 就简单了,直接从数组获取值,然后返回: public Object indexedVariable(int index) { Object[] lookup = indexedVariables; return index < lookup.length? lookup[index] : UNSET; }
3.如果获取到的值不是UNSET,那么是个有效的值,直接返回。如果是UNSET,则初始化。
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.获取ftl的初始值,然后保存到ftl里的数组,如果数组长度不够则扩充数组长度,然后保存,不展开。
3.2. addToVariablesToRemove(threadLocalMap, this) 的实现,是将ftl实例保存在threadLocalMap内部数组第0个元素的Set集合中。
此处不贴代码,用图示如下:
4. registerCleaner(threadLocalMap) 的实现,netty-4.1.34版本中的源码: 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这段代码在该版本已经注释掉,而余下逻辑比较简单,因此不再做分析。 2.5 普通线程使用ftl的性能退化
随着 get() 方法分析完毕,set(value) 方法原理也呼之欲出,限于篇幅,不再单独分析。
前文说过,ftl要结合ftlt才能最大地发挥其性能,如果是其他的普通线程,就会退化到jdk的ThreadLocal的情况,因为普通线程没有包含InternalThreadLocalMap这样的数据结构,接下来我们看如何退化。学习资料:Java进阶视频资源
从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() { // 父类的类型为jdk ThreadLocald的静态属性,从该threadLocal获取InternalThreadLocalMap ThreadLocal slowThreadLocalMap = UnpaddedInternalThreadLocalMap.slowThreadLocalMap; InternalThreadLocalMap ret = slowThreadLocalMap.get(); if (ret == null) { ret = new InternalThreadLocalMap(); slowThreadLocalMap.set(ret); } return ret; }
从ftl看,退化操作的整个流程是:从一个jdk的ThreadLocal变量中获取InternalThreadLocalMap,然后再从InternalThreadLocalMap获取指定数组下标的值,对象关系示意图:
3 ftl的资源回收机制
在netty中对于ftl提供了三种回收机制:
自动: 使用ftlt执行一个被FastThreadLocalRunnable wrap的Runnable任务,在任务执行完毕后会自动进行ftl的清理。
手动: ftl和InternalThreadLocalMap都提供了remove方法,在合适的时候用户可以(有的时候也是必须,例如普通线程的线程池使用ftl)手动进行调用,进行显示删除。
自动: 为当前线程的每一个ftl注册一个Cleaner,当线程对象不强可达的时候,该Cleaner线程会将当前线程的当前ftl进行回收。(netty推荐如果可以用其他两种方式,就不要再用这种方式,因为需要另起线程,耗费资源,而且多线程就会造成一些资源竞争,在netty-4.1.34版本中,已经注释掉了调用ObjectCleaner的代码。) 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:每个线程都分配一块内存(PoolArena),当需要分配ByteBuf时,线程先从自己持有的PoolArena分配,如果自己无法分配,再采用全局分配。
但是由于内存资源有限,所以还是会有多个线程持有同一块PoolArena的情况。不过这种方式已经最大限度地减轻了多线程的资源竞争,提高程序效率。
具体的代码在 PoolByteBufAllocator的内部类PoolThreadLocalCache中: final class PoolThreadLocalCache extends FastThreadLocal { @Override protected synchronized PoolThreadCache initialValue() { final PoolArena heapArena = leastUsedArena(heapArenas); final PoolArena directArena = leastUsedArena(directArenas); Thread current = Thread.currentThread(); if (useCacheForAllThreads || current instanceof FastThreadLocalThread) { // PoolThreadCache即为各个线程持有的内存块的封装 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); } }
参考资料 Netty源码分析3 - FastThreadLocal 框架的设计 Netty进阶:自顶向下解析FastThreadLocal 来源:blog.csdn.net/mycs2012/article/details/90898128
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