FastThreadLocal浅析

不懂技术的小菜鸟
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一、背景

​ 在之前的三篇文章中，研究了可以通过InheritableThreadLocal进行父子线程中如何传递本地线程变量，通过阿里开源项目TransmitableThreadLocal进行进行线程池传递本地线程变量(详解可查看以往博客)。在查找资料的过程中无意发现了Dobbo中定义了新的InternalThreadLocal，其实Dobbo的InternalThreadLocal和netty的FastThreadLocal有异曲同工之妙。之前学netty的时候有了解一点，为了加深一下ThreadLocal种群的了解，使用本博客记录一下。

二、实例

简单测试：分别使用原生线程调用方式和使用FastThreadLocalThread线程调用方式(netty的FastThreadLocal和阿里的ttl类似，要借助于FastThreadLocalThread结合进行使用。)

public static void main(String[] args) {
	
  new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
      username.set("zhangSang");
      log.info(username.get());
    }
  }).start();
	
  new FastThreadLocalThread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
      username.set("zhangSang");
      log.info(username.get());
    }
  }).start();
}

二者的输出结果是一致，所以单从运行结果看，都能获取到对应设置的值，二者没有任何输出区别，但是跟踪一下，可以看到调用的逻辑是有所区别的。

三、原理

​ 熟悉ThreadLocal的应该知道，Threadlocal其实内部逻辑是一个以ThreadLocal对象为key，需要存储的值为value的map结构。而FastThreadLocal的内部实现是一个数组，实现上是直接通过下标定位元素，所以单纯从取、存的角度看，FastThreadLocal是比ThreadLocal高效。

​ 对于使用原生线程Thread来说，其实最后是将数据存Thread.threadLocals(ThreadLocal.ThreadLocalMap)中,也就是说在这个线程所使用的所有FastThreadLocal最后都以 key=ThreadLocal<InternalThreadLocalMap> 对象,value=InternalThreadLocalMap的方式存在线程ThreadLocal的一个节点中。而若使用的是netty封装的FastThreadLocalThread,则FastThreadLocalThread对象的属性threadLocalMap中。

​ FastThreadLocalThread是直接继承于线程类Thread，并且内部维护一个InternalThreadLocalMap，用于存储变量。虽然这个类命名为Map，结构上其实是一个数组。并且下标为0的元素是一个Set<FastThreadLocal<?>>的结构，存储着当前有效的FastThreadLocal。

public class FastThreadLocalThread extends Thread{
  private InternalThreadLocalMap threadLocalMap;
}

在InternalThreadLocalMap中提供了一些静态方法，通过当前线程的不同类型，以不同的方式获取对应所需要的InternalThreadlocalMap。进入FastThreadLocalThread的获取方法，这里可以直接看到，这里判断是线程类型是否是FastThreadLocalThread,如果是，则采用快速获取的方式，如果不是，则采用jdk原生的获取方式。

public static InternalThreadLocalMap get() {
  Thread thread = Thread.currentThread();
  if (thread instanceof FastThreadLocalThread) {
    return fastGet((FastThreadLocalThread) thread);
  } else {
    return slowGet();
  }
}

快速获取方式：直接从FastThreadLocalThread对象中获取InternalThreadLocalMap，如果这个线程变量map为空，则创建一个内置InternalThreadLocalMap对象后返回。

private static InternalThreadLocalMap fastGet(FastThreadLocalThread thread) {
  if (threadLocalMap == null) {
    thread.setThreadLocalMap(threadLocalMap = new InternalThreadLocalMap());
  }
  // ..
}

原生线程的获取方法:从UnpaddedInternalThreadLocalMap中获取到ThreadLocal<InternalThreadLocalMap>在从ThreadLocal中获取InternalThreadLocalMap,若为空初始化一个。所以由此可知，原生线程的FastThreadLocal具体值，是以InternalThreadLocalMap为值，存储在ThreadLocal中。

private static InternalThreadLocalMap slowGet() {
  ThreadLocal<InternalThreadLocalMap> slowThreadLocalMap = 
    UnpaddedInternalThreadLocalMap.slowThreadLocalMap;
  InternalThreadLocalMap ret = slowThreadLocalMap.get();
  if (ret == null) {
    ret = new InternalThreadLocalMap();
    slowThreadLocalMap.set(ret);
  }
  return ret;
}

所以从以上两种获取方式可以得出，通过FastThreadLocalThread包装线程创建的线程对象，保存线程变量的map是InternalThreadLocalMap。

1.set值

根据不同的线程类型，获取到的InternalThreadLocalMap进行设置变量值。这里有一个占位判断，如果value值不等于占位值，将需要存储的值添加到InternalThreadLocalMap对应的下标位置。

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

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

最后的添加逻辑：根据下标获取对应的元素，再判断获取到的结果值是否为空，空则同时创建set结构并将值添加到对应的下标位置，否者否则直接应用取出的值，最后将原始添加到set集合中。

private static void addToVariablesToRemove() {
  // ...
}
2.get值

获取对应变量值：获取的操作比较简单，直接从threadLocalMap中获取对应的下标元素直接返回。如果等于UNSET占位符则进入初始化map的流程。是一个默认值操作，可以通过最后的initValue方法会调用FastThreadLocal#initialValue做一个初始化的操作。

public final V get(InternalThreadLocalMap threadLocalMap) {
  // ...
  if (v != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
    return (V) v;
  }
  return initialize(threadLocalMap);
}
3.remove方法

移除变量值：删除对应下标值，赋值为UNSET占位符,删除InternalThreadLocalMap[0]的Set<FastThreadLocal<?>>中的当前FastThreadLocal对象,这里有提供一个扩展点，通过onRemoval进入删除之后的业务逻辑，默认是空实现。

public final void remove(InternalThreadLocalMap threadLocalMap) {
  // ..
  Object v = threadLocalMap.removeIndexedVariable(index);
  removeFromVariablesToRemove(threadLocalMap, this);
  if (v != InternalThreadLocalMap.UNSET) {
    try {
      onRemoval((V) v);
    }
  }
}

四、总结

​ FastThreadLocal实际上采用的是数组的方式进行存储数据，在数据的获取、赋值都是通过下标的方式进行，而ThreadLocal是通过map结构，先计算哈希值，在进行线性探测的方式进行定位。所以在高并发下，FastThreadLocal应该相对高效，但是FastThread有一个弊端就是index是一直累加，也就是说如果移除了某个变量是通过将对应下标的元素标记为UNSET占位，而不进行回收，会无限制增大，会触发扩容等一些问题。

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