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FastThreadLocal快在哪里

Android编程精选 2021-09-13 09:17 次阅读

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

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:

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《InternalThreadLocalMap》 slowThreadLocalMap = new ThreadLocal《InternalThreadLocalMap》();

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。学习资料:Java进阶视频资源

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。

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《InternalThreadLocalMap》 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《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);

}

}

责任编辑:haq

原文标题:吊打 ThreadLocal,谈谈FastThreadLocal为啥能这么快?

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