深入理解 Netty FastThreadLocal

vivo互联网技术2023-10-19 11:29

作者：vivo 互联网服务器团队- Jiang Zhu

本文以线上诡异问题为切入点，通过对比JDK ThreadLocal和Netty FastThreadLocal实现逻辑以及优缺点，并深入解读源码，由浅入深理解Netty FastThreadLocal。

一、前言

最近在学习Netty相关的知识，在看到Netty FastThreadLocal章节中，回想起一起线上诡异问题。

  • 问题描述：外销业务获取用户信息判断是否支持https场景下，获取的用户信息有时候竟然是错乱的。

  • 问题分析：使用ThreadLocal保存用户信息时，未能及时进行remove()操作，而Tomcat工作线程是基于线程池的，会出现线程重用情况，所以获取的用户信息可能是之前线程遗留下来的。

  • 问题修复：ThreadLocal使用完之后及时remove()、ThreadLocal使用之前也进行remove()双重保险操作。

接下来，我们继续深入了解下JDK ThreadLocal和Netty FastThreadLocal吧。

二、JDK ThreadLocal介绍

ThreadLocal是JDK提供的一个方便对象在本线程内不同方法中传递、获取的类。用它定义的变量，仅在本线程中可见，不受其他线程的影响，与其他线程相互隔离。

那具体是如何实现的呢？如图1所示，每个线程都会有个ThreadLocalMap实例变量，其采用懒加载的方式进行创建，当线程第一次访问此变量时才会去创建。

ThreadLocalMap使用线性探测法存储ThreadLocal对象及其维护的数据，具体操作逻辑如下：

  • 假设有一个新的ThreadLocal对象，通过hash计算它应存储的位置下标为x。

  • 此时发现下标x对应位置已经存储了其他的ThreadLocal对象，则它会往后寻找，步长为1，下标变更为x+1。

  • 接下来发现下标x+1对应位置也已经存储了其他的ThreadLocal对象，同理则它会继续往后寻找，下标变更为x+2。

  • 直到寻找到下标为x+3时发现是空闲的，然后将该ThreadLocal对象及其维护的数据构建一个entry对象存储在x+3位置。

在ThreadLocalMap中数据很多的情况下，很容易出现hash冲突，解决冲突需要不断的向下遍历，该操作的时间复杂度为O(n)，效率较低。

图1

从下面的代码中可以看出：

Entry 的 key 是弱引用，value 是强引用。在 JVM 垃圾回收时，只要发现弱引用的对象，不管内存是否充足，都会被回收。

但是当 ThreadLocal 不再使用被 GC 回收后，ThreadLocalMap 中可能出现 Entry 的 key 为 NULL，那么 Entry 的 value 一直会强引用数据而得不到释放，只能等待线程销毁，从而造成内存泄漏。

scala 复制代码 
static class ThreadLocalMap {
    // 弱引用,在资源紧张的时候可以回收部分不再引用的ThreadLocal变量
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        // 当前ThreadLocal对象所维护的数据
        Object value;
 
        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }
    // 省略其他代码
}

综上所述，既然JDK提供的ThreadLocal可能存在效率较低和内存泄漏的问题，为啥不做相应的优化和改造呢？

  1. 从ThreadLocal类注释看，它是JDK1.2版本引入的，早期可能不太关注程序的性能。

  2. 大部分多线程场景下，线程中的ThreadLocal变量较少，因此出现hash冲突的概率相对较小，及时偶尔出现了hash冲突，对程序的性能影响也相对较小。

  3. 对于内存泄漏问题，ThreadLocal本身已经做了一定的保护措施。作为使用者，在线程中某个ThreadLocal对象不再使用或出现异常时，立即调用 remove() 方法删除 Entry 对象，养成良好的编码习惯。

三、Netty FastThreadLocal介绍

FastThreadLocal是Netty中对JDK提供的ThreadLocal优化改造版本，从名称上来看，它应该比ThreadLocal更快了，以应对Netty处理并发量大、数据吞吐量大的场景。

那具体是如何实现的呢？如图2所示，每个线程都会有个InternalThreadLocalMap实例变量。

每个FastThreadLocal实例创建时，都会采用AtomicInteger保证顺序递增生成一个不重复的下标index，它是该FastThreadLocal对象维护的数据应该存储的位置。

读写数据的时候通过FastThreadLocal的下标 index 直接定位到该FastThreadLocal的位置，时间复杂度为 O(1)，效率较高。

如果该下标index递增到特别大，InternalThreadLocalMap维护的数组也会特别大，所以FastThreadLocal是通过空间换时间来提升读写性能的。

图2

四、Netty FastThreadLocal源码分析

4.1 构造方法

csharp 复制代码 
public class FastThreadLocal<V> {
    // FastThreadLocal中的index是记录了该它维护的数据应该存储的位置
    // InternalThreadLocalMap数组中的下标, 它是在构造函数中确定的
    private final int index;
 
    public InternalThreadLocal() {
        index = InternalThreadLocalMap.nextVariableIndex();
    }
    // 省略其他代码
}
java 复制代码 
public final class InternalThreadLocalMap extends UnpaddedInternalThreadLocalMap {
    // 自增索引, ⽤于计算下次存储到Object数组中的位置
    private static final AtomicInteger nextIndex = new AtomicInteger();
 
    private static final int ARRAY_LIST_CAPACITY_MAX_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
 
    public static int nextVariableIndex() {
        int index = nextIndex.getAndIncrement();
        if (index >= ARRAY_LIST_CAPACITY_MAX_SIZE || index < 0) {
            nextIndex.set(ARRAY_LIST_CAPACITY_MAX_SIZE);
            throw new IllegalStateException("too many thread-local indexed variables");
        }
        return index;
    }
    // 省略其他代码
}

上面这两段代码在Netty FastThreadLocal介绍中已经讲解过，这边就不再重复介绍了。

4.2 get 方法

kotlin 复制代码 
public class FastThreadLocal<V> {
    // FastThreadLocal中的index是记录了该它维护的数据应该存储的位置
    private final int index;
 
    public final V get() {
        // 获取当前线程的InternalThreadLocalMap
        InternalThreadLocalMap threadLocalMap = InternalThreadLocalMap.get();
        // 根据当前线程的index从InternalThreadLocalMap中获取其绑定的数据
        Object v = threadLocalMap.indexedVariable(index);
        // 如果获取当前线程绑定的数据不为缺省值UNSET，则直接返回；否则进行初始化
        if (v != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
            return (V) v;
        }
 
        return initialize(threadLocalMap);
    }
    // 省略其他代码
}
typescript 复制代码 
public final class InternalThreadLocalMap extends UnpaddedInternalThreadLocalMap {
    private static final int INDEXED_VARIABLE_TABLE_INITIAL_SIZE = 32;
 
    // 未赋值的Object变量（缺省值），当⼀个与线程绑定的值被删除之后，会被设置为UNSET
    public static final Object UNSET = new Object();
 
    // 存储绑定到当前线程的数据的数组
    private Object[] indexedVariables;
 
    // slowThreadLocalMap为JDK ThreadLocal存储InternalThreadLocalMap
    private static final ThreadLocal<InternalThreadLocalMap> slowThreadLocalMap =
            new ThreadLocal<InternalThreadLocalMap>();
 
    // 从绑定到当前线程的数据的数组中取出index位置的元素
    public Object indexedVariable(int index) {
        Object[] lookup = indexedVariables;
        return index < lookup.length? lookup[index] : UNSET;
    }
 
    public static InternalThreadLocalMap get() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        // 判断当前线程是否是FastThreadLocalThread类型
        if (thread instanceof FastThreadLocalThread) {
            return fastGet((FastThreadLocalThread) thread);
        } else {
            return slowGet();
        }
    }
 
    private static InternalThreadLocalMap fastGet(FastThreadLocalThread thread) {
        // 直接获取当前线程的InternalThreadLocalMap
        InternalThreadLocalMap threadLocalMap = thread.threadLocalMap();
        // 如果当前线程的InternalThreadLocalMap还未创建，则创建并赋值
        if (threadLocalMap == null) {
            thread.setThreadLocalMap(threadLocalMap = new InternalThreadLocalMap());
        }
        return threadLocalMap;
    }
 
    private static InternalThreadLocalMap slowGet() {
        // 使用JDK ThreadLocal获取InternalThreadLocalMap
        InternalThreadLocalMap ret = slowThreadLocalMap.get();
        if (ret == null) {
            ret = new InternalThreadLocalMap();
            slowThreadLocalMap.set(ret);
        }
        return ret;
    }
 
    private InternalThreadLocalMap() {
        indexedVariables = newIndexedVariableTable();
    }
 
    // 初始化一个32位长度的Object数组，并将其元素全部设置为缺省值UNSET
    private static Object[] newIndexedVariableTable() {
        Object[] array = new Object[INDEXED_VARIABLE_TABLE_INITIAL_SIZE];
        Arrays.fill(array, UNSET);
        return array;
    }
    // 省略其他代码
}

源码中 get() 方法主要分为下面3个步骤处理：

  1. 通过InternalThreadLocalMap.get()方法获取当前线程的InternalThreadLocalMap。

  2. 根据当前线程的index 从InternalThreadLocalMap中获取其绑定的数据。

  3. 如果不是缺省值UNSET，直接返回；如果是缺省值，则执行initialize方法进行初始化。

下面我们继续分析一下InternalThreadLocalMap.get() 方法的实现逻辑。

  1. 首先判断当前线程是否是FastThreadLocalThread类型，如果是FastThreadLocalThread类型则直接使用fastGet方法获取InternalThreadLocalMap，如果不是FastThreadLocalThread类型则使用slowGet方法获取InternalThreadLocalMap兜底处理。

  2. 兜底处理中的slowGet方法会退化成JDK原生的ThreadLocal获取InternalThreadLocalMap。

  3. 获取InternalThreadLocalMap时，如果为null，则会直接创建一个InternalThreadLocalMap返回。其创建过过程中初始化一个32位长度的Object数组，并将其元素全部设置为缺省值UNSET。

4.3 set 方法

typescript 复制代码 
public class FastThreadLocal<V> {
    // FastThreadLocal初始化时variablesToRemoveIndex被赋值为0
    private static final int variablesToRemoveIndex = InternalThreadLocalMap.nextVariableIndex();
 
    public final void set(V value) {
        // 判断value值是否是未赋值的Object变量（缺省值）
        if (value != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
            // 获取当前线程对应的InternalThreadLocalMap
            InternalThreadLocalMap threadLocalMap = InternalThreadLocalMap.get();
            // 将InternalThreadLocalMap中数据替换为新的value
            // 并将FastThreadLocal对象保存到待清理的Set中
            setKnownNotUnset(threadLocalMap, value);
        } else {
            remove();
        }
    }
 
    private void setKnownNotUnset(InternalThreadLocalMap threadLocalMap, V value) {
        // 将InternalThreadLocalMap中数据替换为新的value
        if (threadLocalMap.setIndexedVariable(index, value)) {
            // 并将当前的FastThreadLocal对象保存到待清理的Set中
            addToVariablesToRemove(threadLocalMap, this);
        }
    }
 
    private static void addToVariablesToRemove(InternalThreadLocalMap threadLocalMap, FastThreadLocal<?> variable) {
        // 取下标index为0的数据，用于存储待清理的FastThreadLocal对象Set集合中
        Object v = threadLocalMap.indexedVariable(variablesToRemoveIndex);
        Set<FastThreadLocal<?>> variablesToRemove;
        if (v == InternalThreadLocalMap.UNSET || v == null) {
            // 下标index为0的数据为空，则创建FastThreadLocal对象Set集合
            variablesToRemove = Collections.newSetFromMap(new IdentityHashMap<FastThreadLocal<?>, Boolean>());
            // 将InternalThreadLocalMap中下标为0的数据，设置成FastThreadLocal对象Set集合
            threadLocalMap.setIndexedVariable(variablesToRemoveIndex, variablesToRemove);
        } else {
            variablesToRemove = (Set<FastThreadLocal<?>>) v;
        }
        // 将FastThreadLocal对象保存到待清理的Set中
        variablesToRemove.add(variable);
    }
    // 省略其他代码
}
ini 复制代码 
public final class InternalThreadLocalMap extends UnpaddedInternalThreadLocalMap {
    // 未赋值的Object变量（缺省值），当⼀个与线程绑定的值被删除之后，会被设置为UNSET
    public static final Object UNSET = new Object();
    // 存储绑定到当前线程的数据的数组
    private Object[] indexedVariables;
    // 绑定到当前线程的数据的数组能再次采用x2扩容的最大量
    private static final int ARRAY_LIST_CAPACITY_EXPAND_THRESHOLD = 1 << 30;
    private static final int ARRAY_LIST_CAPACITY_MAX_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
 
    // 将InternalThreadLocalMap中数据替换为新的value
    public boolean setIndexedVariable(int index, Object value) {
        Object[] lookup = indexedVariables;
        if (index < lookup.length) {
            Object oldValue = lookup[index];
            // 直接将数组 index 位置设置为 value，时间复杂度为 O(1)
            lookup[index] = value;
            return oldValue == UNSET;
        } else { // 绑定到当前线程的数据的数组需要扩容，则扩容数组并数组设置新value
            expandIndexedVariableTableAndSet(index, value);
            return true;
        }
    }
 
    private void expandIndexedVariableTableAndSet(int index, Object value) {
        Object[] oldArray = indexedVariables;
        final int oldCapacity = oldArray.length;
        int newCapacity;
        // 判断可进行x2方式进行扩容
        if (index < ARRAY_LIST_CAPACITY_EXPAND_THRESHOLD) {
            newCapacity = index;
            // 位操作，提升扩容效率
            newCapacity |= newCapacity >>>  1;
            newCapacity |= newCapacity >>>  2;
            newCapacity |= newCapacity >>>  4;
            newCapacity |= newCapacity >>>  8;
            newCapacity |= newCapacity >>> 16;
            newCapacity ++;
        } else { // 不支持x2方式扩容，则设置绑定到当前线程的数据的数组容量为最大值
            newCapacity = ARRAY_LIST_CAPACITY_MAX_SIZE;
        }
        // 按扩容后的大小创建新数组，并将老数组数据copy到新数组
        Object[] newArray = Arrays.copyOf(oldArray, newCapacity);
        // 新数组扩容后的部分赋UNSET缺省值
        Arrays.fill(newArray, oldCapacity, newArray.length, UNSET);
        // 新数组的index位置替换成新的value
        newArray[index] = value;
        // 绑定到当前线程的数据的数组用新数组替换
        indexedVariables = newArray;
    }
    // 省略其他代码
}

源码中 set() 方法主要分为下面3个步骤处理：

  1. 判断value是否是缺省值UNSET，如果value不等于缺省值，则会通过InternalThreadLocalMap.get()方法获取当前线程的InternalThreadLocalMap，具体实现3.2小节中get()方法已做讲解。

  2. 通过FastThreadLocal中的setKnownNotUnset()方法将InternalThreadLocalMap中数据替换为新的value，并将当前的FastThreadLocal对象保存到待清理的Set中。

  3. 如果等于缺省值UNSET或null（else的逻辑），会调用remove()方法，remove()具体见后面的代码分析。

接下来我们看下InternalThreadLocalMap.setIndexedVariable方法的实现逻辑。

  1. 判断index是否超出存储绑定到当前线程的数据的数组indexedVariables的长度，如果没有超出，则获取index位置的数据，并将该数组index位置数据设置新value。

  2. 如果超出了，绑定到当前线程的数据的数组需要扩容，则扩容该数组并将它index位置的数据设置新value。

  3. 扩容数组以index 为基准进行扩容，将数组扩容后的容量向上取整为 2 的次幂。然后将原数组内容拷贝到新的数组中，空余部分填充缺省值UNSET，最终把新数组赋值给 indexedVariables。

下面我们再继续看下FastThreadLocal.addToVariablesToRemove方法的实现逻辑。

  1. 取下标index为0的数据（用于存储待清理的FastThreadLocal对象Set集合中），如果该数据是缺省值UNSET或null，则会创建FastThreadLocal对象Set集合，并将该Set集合填充到下标index为0的数组位置。

  2. 如果该数据不是缺省值UNSET，说明Set集合已金被填充，直接强转获取该Set集合。

  3. 最后将FastThreadLocal对象保存到待清理的Set集合中。

4.4 remove、removeAll方法

typescript 复制代码 
public class FastThreadLocal<V> {
    // FastThreadLocal初始化时variablesToRemoveIndex被赋值为0
    private static final int variablesToRemoveIndex = InternalThreadLocalMap.nextVariableIndex();
 
    public final void remove() {
        // 获取当前线程的InternalThreadLocalMap
        // 删除当前的FastThreadLocal对象及其维护的数据
        remove(InternalThreadLocalMap.getIfSet());
    }
 
    public final void remove(InternalThreadLocalMap threadLocalMap) {
        if (threadLocalMap == null) {
            return;
        }
 
        // 根据当前线程的index，并将该数组下标index位置对应的值设置为缺省值UNSET
        Object v = threadLocalMap.removeIndexedVariable(index);
        // 存储待清理的FastThreadLocal对象Set集合中删除当前FastThreadLocal对象
        removeFromVariablesToRemove(threadLocalMap, this);
 
        if (v != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
            try {
                // 空方法，用户可以继承实现
                onRemoval((V) v);
            } catch (Exception e) {
                PlatformDependent.throwException(e);
            }
        }
    }
 
    public static void removeAll() {
        InternalThreadLocalMap threadLocalMap = InternalThreadLocalMap.getIfSet();
        if (threadLocalMap == null) {
            return;
        }
 
        try {
            // 取下标index为0的数据，用于存储待清理的FastThreadLocal对象Set集合中
            Object v = threadLocalMap.indexedVariable(variablesToRemoveIndex);
            if (v != null && v != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                Set<FastThreadLocal<?>> variablesToRemove = (Set<FastThreadLocal<?>>) v;
                // 遍历所有的FastThreadLocal对象并删除它们以及它们维护的数据
                FastThreadLocal<?>[] variablesToRemoveArray =
                        variablesToRemove.toArray(new FastThreadLocal[0]);
                for (FastThreadLocal<?> tlv: variablesToRemoveArray) {
                    tlv.remove(threadLocalMap);
                }
            }
        } finally {
            // 删除InternalThreadLocalMap中threadLocalMap和slowThreadLocalMap数据
            InternalThreadLocalMap.remove();
        }
    }
 
    private static void removeFromVariablesToRemove(
            InternalThreadLocalMap threadLocalMap, FastThreadLocal<?> variable) {
        // 取下标index为0的数据，用于存储待清理的FastThreadLocal对象Set集合中
        Object v = threadLocalMap.indexedVariable(variablesToRemoveIndex);
 
        if (v == InternalThreadLocalMap.UNSET || v == null) {
            return;
        }
 
        @SuppressWarnings("unchecked")
        // 存储待清理的FastThreadLocal对象Set集合中删除该FastThreadLocal对象
        Set<FastThreadLocal<?>> variablesToRemove = (Set<FastThreadLocal<?>>) v;
        variablesToRemove.remove(variable);
    }
 
    // 省略其他代码
}
java 复制代码 
public final class InternalThreadLocalMap extends UnpaddedInternalThreadLocalMap {
 
    // 根据当前线程获取InternalThreadLocalMap
       public static InternalThreadLocalMap getIfSet() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        if (thread instanceof FastThreadLocalThread) {
            return ((FastThreadLocalThread) thread).threadLocalMap();
        }
        return slowThreadLocalMap.get();
    }
 
    // 数组下标index位置对应的值设置为缺省值UNSET
    public Object removeIndexedVariable(int index) {
        Object[] lookup = indexedVariables;
        if (index < lookup.length) {
            Object v = lookup[index];
            lookup[index] = UNSET;
            return v;
        } else {
            return UNSET;
        }
    }
 
    // 删除threadLocalMap和slowThreadLocalMap数据
    public static void remove() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        if (thread instanceof FastThreadLocalThread) {
            ((FastThreadLocalThread) thread).setThreadLocalMap(null);
        } else {
            slowThreadLocalMap.remove();
        }
    }
    // 省略其他代码
}

源码中 remove() 方法主要分为下面2个步骤处理：

  1. 通过InternalThreadLocalMap.getIfSet()获取当前线程的InternalThreadLocalMap。具体和3.2小节get()方法里面获取当前线程的InternalThreadLocalMap相似，这里就不再重复介绍了。

  2. 删除当前的FastThreadLocal对象及其维护的数据。

源码中 removeAll() 方法主要分为下面3个步骤处理：

  1. 通过InternalThreadLocalMap.getIfSet()获取当前线程的InternalThreadLocalMap。

  2. 取下标index为0的数据（用于存储待清理的FastThreadLocal对象Set集合），然后遍历所有的FastThreadLocal对象并删除它们以及它们维护的数据。

  3. 最后会将InternalThreadLocalMap本身从线程中移除。

五、总结

那么使用ThreadLocal时最佳实践又如何呢？

每次使用完ThreadLocal实例，在线程运行结束之前的finally代码块中主动调用它的remove()方法，清除Entry中的数据，避免操作不当导致的内存泄漏。

使⽤Netty的FastThreadLocal一定比JDK原生的ThreadLocal更快吗？

不⼀定。当线程是FastThreadLocalThread，则添加、获取FastThreadLocal所维护数据的时间复杂度是 O(1)，⽽使⽤ThreadLocal可能存在哈希冲突，相对来说使⽤FastThreadLocal更⾼效。但如果是普通线程则可能更慢。

使⽤FastThreadLocal有哪些优点？

正如文章开头介绍JDK原生ThreadLocal存在的缺点，FastThreadLocal全部优化了，它更⾼效、而且如果使⽤的是FastThreadLocal，它会在任务执⾏完成后主动调⽤removeAll⽅法清除数据，避免潜在的内存泄露。

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