爲何Netty的FastThreadLocal速度快

時間 2019-11-09

標籤爲何 netty fastthreadlocal 速度快欄目 Netty 简体版

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前言

最近在看netty源碼的時候發現了一個叫FastThreadLocal的類，jdk自己自帶了ThreadLocal類，因此能夠大體想到此類比jdk自帶的類速度更快，主要快在什麼地方，以及爲何速度更快，下面作一個簡單的分析；數組

性能測試

ThreadLocal主要被用在多線程環境下，方便的獲取當前線程的數據，使用者無需關心多線程問題，方便使用；爲了能說明問題，分別對兩個場景進行測試，分別是：多個線程操做同一個ThreadLocal，單線程下的多個ThreadLocal，下面分別測試：多線程

1.多個線程操做同一個ThreadLocal

分別對ThreadLocal和FastThreadLocal使用測試代碼，部分代碼以下：ide

public static void test2() throws Exception {
        CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(10000);
        ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();
        long starTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    threadLocal.set(Thread.currentThread().getName());
                    for (int k = 0; k < 100000; k++) {
                        threadLocal.get();
                    }
                    cdl.countDown();
                }
            }, "Thread" + (i + 1)).start();
        }
        cdl.await();
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - starTime + "ms");
    }

以上代碼建立了10000個線程，同時往ThreadLocal設置，而後get十萬次，而後經過CountDownLatch來計算總的時間消耗，運行結果爲：1000ms左右；
下面再對FastThreadLocal進行測試，代碼相似：源碼分析

public static void test2() throws Exception {
        CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(10000);
        FastThreadLocal<String> threadLocal = new FastThreadLocal<String>();
        long starTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new FastThreadLocalThread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    threadLocal.set(Thread.currentThread().getName());
                    for (int k = 0; k < 100000; k++) {
                        threadLocal.get();
                    }
                    cdl.countDown();
                }
            }, "Thread" + (i + 1)).start();
        }

        cdl.await();
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - starTime);
    }

運行以後結果爲：1000ms左右；能夠發如今這種狀況下兩種類型的ThreadLocal在性能上並無什麼差距，下面對第二種狀況進行測試；性能

2.單線程下的多個ThreadLocal

分別對ThreadLocal和FastThreadLocal使用測試代碼，部分代碼以下：測試

public static void test1() throws InterruptedException {
        int size = 10000;
        ThreadLocal<String> tls[] = new ThreadLocal[size];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            tls[i] = new ThreadLocal<String>();
        }
        
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                long starTime = System.currentTimeMillis();
                for (int i = 0; i < size; i++) {
                    tls[i].set("value" + i);
                }
                for (int i = 0; i < size; i++) {
                    for (int k = 0; k < 100000; k++) {
                        tls[i].get();
                    }
                }
                System.out.println(System.currentTimeMillis() - starTime + "ms");
            }
        }).start();
    }

以上代碼建立了10000個ThreadLocal，而後使用同一個線程對ThreadLocal設值，同時get十萬次，運行結果：2000ms左右;
下面再對FastThreadLocal進行測試，代碼相似：優化

public static void test1() {
        int size = 10000;
        FastThreadLocal<String> tls[] = new FastThreadLocal[size];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            tls[i] = new FastThreadLocal<String>();
        }
        
        new FastThreadLocalThread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                long starTime = System.currentTimeMillis();
                for (int i = 0; i < size; i++) {
                    tls[i].set("value" + i);
                }
                for (int i = 0; i < size; i++) {
                    for (int k = 0; k < 100000; k++) {
                        tls[i].get();
                    }
                }
                System.out.println(System.currentTimeMillis() - starTime + "ms");
            }
        }).start();
    }

運行結果：30ms左右；能夠發現性能達到兩個數量級的差距，固然這是在大量訪問次數的狀況下才有的效果；下面重點分析一下ThreadLocal的機制，以及FastThreadLocal爲何比ThreadLocal更快；this

ThreadLocal的機制

由於咱們經常使用的就是set和get方法，分別看一下對應的源碼：spa

public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }
    
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

以上代碼大體意思：首先獲取當前線程，而後獲取當前線程中存儲的threadLocals變量，此變量其實就是ThreadLocalMap，最後看此ThreadLocalMap是否爲空，爲空就建立一個新的Map，不爲空則以當前的ThreadLocal爲key，存儲當前value；能夠進一步看一下ThreadLocalMap中的set方法：線程

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

            // We don't use a fast path as with get() because it is at
            // least as common to use set() to create new entries as
            // it is to replace existing ones, in which case, a fast
            // path would fail more often than not.

            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

            for (Entry e = tab[i];
                 e != null;
                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();

                if (k == key) {
                    e.value = value;
                    return;
                }

                if (k == null) {
                    replaceStaleEntry(key, value, i);
                    return;
                }
            }

            tab[i] = new Entry(key, value);
            int sz = ++size;
            if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
                rehash();
        }

大體意思：ThreadLocalMap內部使用一個數組來保存數據，相似HashMap；每一個ThreadLocal在初始化的時候會分配一個threadLocalHashCode，而後和數組的長度進行取模操做，因此就會出現hash衝突的狀況，在HashMap中處理衝突是使用數組+鏈表的方式，而在ThreadLocalMap中，能夠看到直接使用nextIndex，進行遍歷操做，明顯性能更差；下面再看一下get方法：

public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

一樣是先獲取當前線程，而後獲取當前線程中的ThreadLocalMap，而後以當前的ThreadLocal爲key，到ThreadLocalMap中獲取value：

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
            int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
            Entry e = table[i];
            if (e != null && e.get() == key)
                return e;
            else
                return getEntryAfterMiss(key, i, e);
        }
        
         private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;

            while (e != null) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();
                if (k == key)
                    return e;
                if (k == null)
                    expungeStaleEntry(i);
                else
                    i = nextIndex(i, len);
                e = tab[i];
            }
            return null;
        }

同set方式，經過取模獲取數組下標，若是沒有衝突直接返回數據，不然一樣出現遍歷的狀況；因此經過分析能夠大體知道如下幾個問題：
1.ThreadLocalMap是存放在Thread下面的，ThreadLocal做爲key，因此多個線程操做同一個ThreadLocal其實就是在每一個線程的ThreadLocalMap中插入的一條記錄，不存在任何衝突問題；
2.ThreadLocalMap在解決衝突時，經過遍歷的方式，很是影響性能；
3.FastThreadLocal經過其餘方式解決衝突的問題，達到性能的優化；
下面繼續來看一下FastThreadLocal是經過何種方式達到性能的優化。

爲何Netty的FastThreadLocal速度快

Netty中分別提供了FastThreadLocal和FastThreadLocalThread兩個類，FastThreadLocalThread繼承於Thread，下面一樣對經常使用的set和get方法來進行源碼分析：

public final void set(V value) {
        if (value != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
            set(InternalThreadLocalMap.get(), value);
        } else {
            remove();
        }
    }

    public final void set(InternalThreadLocalMap threadLocalMap, V value) {
        if (value != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
            if (threadLocalMap.setIndexedVariable(index, value)) {
                addToVariablesToRemove(threadLocalMap, this);
            }
        } else {
            remove(threadLocalMap);
        }
    }

此處首先對value進行斷定是否爲InternalThreadLocalMap.UNSET，而後一樣使用了一個InternalThreadLocalMap用來存放數據：

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;
    }

能夠發現InternalThreadLocalMap一樣存放在FastThreadLocalThread中，不一樣在於，不是使用ThreadLocal對應的hash值取模獲取位置，而是直接使用FastThreadLocal的index屬性，index在實例化時被初始化：

private final int index;

    public FastThreadLocal() {
        index = InternalThreadLocalMap.nextVariableIndex();
    }

再進入nextVariableIndex方法中：

static final AtomicInteger nextIndex = new AtomicInteger();
     
    public static int nextVariableIndex() {
        int index = nextIndex.getAndIncrement();
        if (index < 0) {
            nextIndex.decrementAndGet();
            throw new IllegalStateException("too many thread-local indexed variables");
        }
        return index;
    }

在InternalThreadLocalMap中存在一個靜態的nextIndex對象，用來生成數組下標，由於是靜態的，因此每一個FastThreadLocal生成的index是連續的，再看一下InternalThreadLocalMap中是如何setIndexedVariable的：

public boolean setIndexedVariable(int index, Object value) {
        Object[] lookup = indexedVariables;
        if (index < lookup.length) {
            Object oldValue = lookup[index];
            lookup[index] = value;
            return oldValue == UNSET;
        } else {
            expandIndexedVariableTableAndSet(index, value);
            return true;
        }
    }

indexedVariables是一個對象數組，用來存放value；直接使用index做爲數組下標進行存放；若是index大於數組長度，進行擴容；get方法直接經過FastThreadLocal中的index進行快速讀取：

public final V get(InternalThreadLocalMap threadLocalMap) {
        Object v = threadLocalMap.indexedVariable(index);
        if (v != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
            return (V) v;
        }

        return initialize(threadLocalMap);
    }
    
    public Object indexedVariable(int index) {
        Object[] lookup = indexedVariables;
        return index < lookup.length? lookup[index] : UNSET;
    }

直接經過下標進行讀取，速度很是快；可是這樣會有一個問題，可能會形成空間的浪費；