Netty學習之旅----ThreadLocal原理分析與效能優化思考(思考篇)
/** * Returns the value in the current thread's copy of this * thread-local variable. If the variable has no value for the * current thread, it is first initialized to the value returned * by an invocation of the {@link #initialValue} method. * * @return the current thread's value of this thread-local */ public T get() { Thread t = Thread.currentThread(); //@1 ThreadLocalMap map = getMap(t); //@2 if (map != null) { ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); //@3 if (e != null) return (T)e.value; } return setInitialValue(); // @4 }
程式碼@1，獲取當前執行緒。
程式碼@2，從當前執行緒獲取ThreadLocalMap,
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
},這裡是直接返回執行緒物件的threadLocals變數，有點意思吧，所以說ThreadLocal，是執行緒的本地變數，就是這層意思，真正存放資料的地方，就是執行緒物件本身，其實接下來的會更加有意思：我們進入ThreadLocalMap原始碼分析，得知，原來ThreadLocalMap就是一個Map結構（K-V）鍵值對，關於裡面的原始碼就不一一分析了，ThreadLocalMap(ThreadLocal firstKey, Object firstValue),firstKey 為ThreadLocal,神奇吧，其實這也是為什麼Thread的本地變數的資料型別為Map的原型，一個執行緒可以被多個ThreadLocal關聯，每宣告一個，就線上程的threadLocals增加為一個鍵值對，key 為 ThreadLocal,而value為具體存放的物件。
程式碼@3，如果執行緒的ThreadLocalMap不為空，則直接返回對，否則進入到程式碼@4
程式碼@4，初始化並獲取放入ThreadLocal中的變數。
上面就是ThreadLocal的核心設計理念，為了更加直觀的說明ThreadLocal原理，舉例說明：
----------------------------------------------------------------------- public class ThreadLocalDemo1 { private static final ThreadLocal<String> schemaLocal = new ThreadLocal<String>(); public void test1() { String a = schemaLocal.get(); ThreadLocalDemo2 demo2 = new ThreadLocalDemo2(); demo2.test(a); } public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub } } public class ThreadLocalDemo2 { private static final ThreadLocal<String> slocal = new ThreadLocal<String>(); public void test(String b) { String a = slocal.get(); // 其他程式碼 System.out.println(b); } public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub } } public class TestMain { public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub ThreadLocalDemo1 d = new ThreadLocalDemo1(); d.test1(); } }
/一個執行緒呼叫 ThreadLocalDemo1 的 test1方法，在這個執行鏈中會涉及到兩個ThreadLocal變數，呼叫ThreadLocal的get方法，首先會獲取當前執行緒，然後從當前執行緒物件中獲取執行緒內部屬性[ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;],然後從ThreadLocalMap中以ThreadLocal物件為鍵，從threadLocals map中獲取存放的值。
執行緒的threadLocals值為
{
ThreadLocalDemo1.schemaLocal : 該變數中的值,
ThreadLocalDemo2.scloal : 存放在本執行緒中的值
}
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3、 ThreadLocal優化思考
ThreadLocal的資料訪問演算法，本質上就是Map的訪問特性。
我在分析HashMap原始碼的時候，已經將HashMap的儲存結構講解完畢，如有興趣，可以瀏覽一下我的博文：深入理解HashMap:http://blog.csdn.net/prestigeding/article/details/52861420,HashMap根據key的訪問速度效率是很快的，為什麼呢？因為HashMap根據key的hash,然後會定位到內部的資料槽（該資料是陣列結構），眾所周知，根據陣列的下標訪問，訪問速度是最快的，也就是說HashMap根據key的定位速度比LinkedList等都快，僅次於陣列訪問方式，這是因為HashMap多了一步Hash定位槽的過程（當然，如果有Hash衝突那就更慢了）。所以，如果在高併發場景下，需要進一步優化ThreadLocal的訪問效能，那就要從執行緒物件（Thread的threadLocals 資料結構下手了，如果能將資料結構修改為陣列，然後每個ThreadLocal物件維護其下標那就完美了）。是的，Netty框架就是為了高併發而生的，由於併發訪問的數量很大，一點點的效能優化，就會帶來可觀的效能提升效應，Netty主要從如下兩個方面對ThreadLocal的實現進行優化
1）執行緒物件直接提供 set、get方法，以便直接獲取執行緒本地儲存相關的變數屬性。
2）將資料儲存基於陣列儲存。
4、Netty關於ThreadLocal機制的優化
由於ThreadLocal是JDK的原生實現，通用性很強，直接擴充套件進行定製化不是明智的選擇，故Netty在優化ThreadLocal的方式是自己另起灶爐，實現ThreadLocal的語義。優化方法如下：
1）提供一個介面，FastThreadLocalAccess,並對執行緒池工廠類進行定製，建立的執行緒繼承在java.lang.Thread類，並實現FastThreadLocalAccess介面，提供直接設定，獲取執行緒本地變數的方法。
2）提供FastThreadLocal類，此類實現ThreadLocal相同的語義。
3）提供InternalThreadLocalMap類，此類作用類同於java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap類，用於執行緒存放真實資料的結構。
4.1 擴充套件執行緒物件，提供set,get方法
通過定製的執行緒池工廠，建立的執行緒物件為擴充套件後的執行緒物件，在Netty中對應為FastThreadLocalThread，該類本身很簡單，值得大家注意的是其思想，jdk併發包中提供的執行緒池實現機制中，提供了執行緒建立的工廠的擴充套件點，這裡就是其典型的實踐。
這裡附上其原始碼，不做解讀：
public class FastThreadLocalThread extends Thread implements FastThreadLocalAccess {
private InternalThreadLocalMap threadLocalMap;
public FastThreadLocalThread() { }
public FastThreadLocalThread(Runnable target) {
super(target);
}
public FastThreadLocalThread(ThreadGroup group, Runnable target) {
super(group, target);
}
public FastThreadLocalThread(String name) {
super(name);
}
public FastThreadLocalThread(ThreadGroup group, String name) {
super(group, name);
}
public FastThreadLocalThread(Runnable target, String name) {
super(target, name);
}
public FastThreadLocalThread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) {
super(group, target, name);
}
public FastThreadLocalThread(ThreadGroup group, Runnable target, String name, long stackSize) {
super(group, target, name, stackSize);
}
/**
* Returns the internal data structure that keeps the thread-local variables bound to this thread.
* Note that this method is for internal use only, and thus is subject to change at any time.
*/
@Override
public final InternalThreadLocalMap threadLocalMap() {
return threadLocalMap;
}
/**
* Sets the internal data structure that keeps the thread-local variables bound to this thread.
* Note that this method is for internal use only, and thus is subject to change at any time.
*/
@Override
public final void setThreadLocalMap(InternalThreadLocalMap threadLocalMap) {
this.threadLocalMap = threadLocalMap;
}
}
4.2 FastThreadLocal與InternalThreadLocalMap
InternalThreadLocalMap是執行緒儲存本地變數的資料結構，每個執行緒擁有自己的InternalThreadLocalMap,其作用與java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap內部類一樣，而FastThreadLocal，其語義與ThreadLocal一樣，對外表現與ThreadLocal一樣。再次重複一下，Netty的InternalThreadLocalMap內部為陣列，為什麼是陣列呢？執行緒本地變數，要從執行緒的執行流的角度看，一個執行緒在執行過程中，會經過多個類，會有多個類中宣告有執行緒本地變數（參考上文說明ThreadLocal時候的舉例），所以此處的陣列就是保留執行緒在整個執行緒的執行過程中，不同的ThreadLocal變數中儲存不同的資料，java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap內部類的實現使用map結構，鍵為 ThreadLocal物件，而值為真正儲存的變數值，InternalThreadLocalMap既然是陣列，陣列是一維的，陣列最終肯定只能儲存 真正要保持的變數值，那怎麼區分不同的ThreadLocal在InternalThreadLocalMap中的下標呢？Netty採用的方式是將下標儲存在FastThreadLocal中，我們知道，一般使用本地執行緒變數，FastThreadLocal的宣告方式，一般是類變數（靜態變數），諸如：private static final ThreadLocal aThreadLocal = new ThreadLocal();整個系統ThreadLocal的個數其實不會很多，每個FastThreadLocal在InternalThreadLocalMap的下標（偏移量）在FastThreadLocal載入時候確定，並保持不變。並且每個InternalThreadLocal內部陣列的第一元素，存放系統執行中的FastThreadLocal物件。InternalThreadLocalMap的內部資料結構為：
/** Used by {@link FastThreadLocal} */
Object[] indexedVariables;
現在舉例說明上述理論，
比如整個專案，有A,B,C,D,E5個類中各聲明瞭一個靜態的FastThreadLocal變數，類的載入順序為
A , B , D, E, C
那們 類A中的FastThreadLocal存放線上程變數InternalThreadLocalMap的下標為1，B,為2，D為3，依次內推，
比如執行緒 T1，在一次請求過程中，需要用的A,E,C三個類中的FastThreadLocalMap,那麼執行緒T1,的InternalThreadLocalMap的水庫中的下標為1為A,下標為2,3的元素為空，下標為4為E,下標5存放C中的變數值。
每個執行緒InternalThreadLocalMap下標為0的是一Set集合，存放的是系統執行中有效的FastThreadLocal變數。
根據這樣的存放後，FastThreadLocal 的get,set方法，都是根據下標直接在InternalThreadLocalMap的陣列中直接儲存，當然，值得一提的是InternalThreadLocalMap中陣列元素長度預設為32，如果系統的FastThreadLocal的數量超過32個的話，會成倍擴容。
FastThreadLocal學習的入口，建議從set,get方法入手即可，知道上述原理後，原始碼的閱讀應該比較容易，就不做過多講解了。
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