Netty学习之旅----ThreadLocal原理分析与性能优化思考(思考篇)

1、java.lang.ThreadLocal概况
ThreadLocal，本地线程变量，每个线程保留着一个共享变量的副本。其实我不太认可每个线程保存共享变量的一个副本这个说法，而是ThreadLocal是线程上下文环境的一种实现方式而已。就以数据库事务这一常用场景来举例说明，比如每个线程需要访问数据库，就需要获取数据库的连接Connection对象，在实际中，我们会用数据库连接池来重复利用Connection，首先线程池，这里是一个共享变量，线程池的实现必须保证多个线程同时从线程池中获取Connection不会重复，然后每个线程使用单独的Connection，并且该Connection被一个线程占用后，其他线程压根就不会使用到，也不会试图去使用一个已经被其他线程占用的Connection对象。由于一个线程在执行过程中，可能需要多次操作数据库，所以我们的设计就是一个线程在执行过程中，只与一个Connection打交道，也就是整个线程的执行过程（执行环境）需要保存刚获取的Connection，最简单有效的办法，就是把这个Connection保存在线程对象的某个属性中，ThreadLocal就是干这事的。ThreadLocal并不是为这个Connection复制一份，多个线程都使用这个副本，不是这样的，一个Connection对象在任意时刻，没有被复制多份。
我的观点：ThreadLocal是线程一个本地变量，是线程的执行上下文。

2、 从ThreadLocal get方法源码分析其实现逻辑

/**
* 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
}

代码@1，获取当前线程。
代码@2，从当前线程获取ThreadLocalMap,
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    },这里是直接返回线程对象的threadLocals变量，有点意思吧，所以说ThreadLocal，是线程的本地变量，就是这层意思，真正存放数据的地方，就是线程对象本身，其实接下来的会更加有意思：我们进入ThreadLocalMap源码分析，得知，原来ThreadLocalMap就是一个Map结构（K-V）键值对，关于里面的源码就不一一分析了，ThreadLocalMap(T
ebe3
hreadLocal firstKey, Object firstValue),firstKey 为ThreadLocal,神奇吧，其实这也是为什么Thread的本地变量的数据类型为Map的原型，一个线程可以被多个ThreadLocal关联，每声明一个，就在线程的threadLocals增加为一个键值对，key 为 ThreadLocal,而value为具体存放的对象。
代码@3，如果线程的ThreadLocalMap不为空，则直接返回对，否则进入到代码@4
代码@4，初始化并获取放入ThreadLocal中的变量。
上面就是ThreadLocal的核心设计理念，为了更加直观的说明ThreadLocal原理，举例说明：

-----------------------------------------------------------------------
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();
// 其他代码
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();

}

}

//一个线程调用 ThreadLocalDemo1 的 test1方法，在这个执行链中会涉及到两个ThreadLocal变量，调用ThreadLocal的get方法，首先会获取当前线程，然后从当前线程对象中获取线程内部属性[ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;],然后从ThreadLocalMap中以ThreadLocal对象为键，从threadLocals map中获取存放的值。
线程的threadLocals值为
{
     ThreadLocalDemo1.schemaLocal  : 该变量中的值,
     ThreadLocalDemo2.scloal : 存放在本线程中的值
   }
------------------------------------------------------------------------------------
3、 ThreadLocal优化思考
    ThreadLocal的数据访问算法，本质上就是Map的访问特性。
 我在分析HashMap源码的时候，已经将HashMap的存储结构讲解完毕，如有兴趣，可以浏览一下我的博文：深入理解HashMap:http://blog.csdn.net/prestigeding/article/details/52861420,HashMap根据key的访问速度效率是很快的，为什么呢？因为HashMap根据key的hash,然后会定位到内部的数据槽（该数据是数组结构），众所周知，根据数组的下标访问，访问速度是最快的，也就是说HashMap根据key的定位速度比LinkedList等都快，仅次于数组访问方式，这是因为HashMap多了一步Hash定位槽的过程（当然，如果有Hash冲突那就更慢了）。所以，如果在高并发场景下，需要进一步优化ThreadLocal的访问性能，那就要从线程对象（Thread的threadLocals 数据结构下手了，如果能将数据结构修改为数组，然后每个ThreadLocal对象维护其下标那就完美了）。是的，Netty框架就是为了高并发而生的，由于并发访问的数量很大，一点点的性能优化，就会带来可观的性能提升效应，Netty主要从如下两个方面对ThreadLocal的实现进行优化
1）线程对象直接提供 set、get方法，以便直接获取线程本地存储相关的变量属性。
2）将数据存储基于数组存储。

4、Netty关于ThreadLocal机制的优化
由于ThreadLocal是JDK的原生实现，通用性很强，直接扩展进行定制化不是明智的选择，故Netty在优化ThreadLocal的方式是自己另起灶炉，实现ThreadLocal的语义。优化方法如下：
1）提供一个接口，FastThreadLocalAccess,并对线程池工厂类进行定制，创建的线程继承在java.lang.Thread类，并实现FastThreadLocalAccess接口，提供直接设置，获取线程本地变量的方法。
2）提供FastThreadLocal类，此类实现ThreadLocal相同的语义。
3）提供InternalThreadLocalMap类，此类作用类同于java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap类，用于线程存放真实数据的结构。
4.1 扩展线程对象，提供set,get方法
     通过定制的线程池工厂，创建的线程对象为扩展后的线程对象，在Netty中对应为FastThreadLocalThread，该类本身很简单，值得大家注意的是其思想，jdk并发包中提供的线程池实现机制中，提供了线程创建的工厂的扩展点，这里就是其典型的实践。
     这里附上其源码，不做解读：

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与InternalThreadLocalMap
InternalThreadLocalMap是线程存储本地变量的数据结构，每个线程拥有自己的InternalThreadLocalMap,其作用与java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap内部类一样，而FastThreadLocal，其语义与ThreadLocal一样，对外表现与ThreadLocal一样。再次重复一下，Netty的InternalThreadLocalMap内部为数组，为什么是数组呢？线程本地变量，要从线程的执行流的角度看，一个线程在执行过程中，会经过多个类，会有多个类中声明有线程本地变量（参考上文说明ThreadLocal时候的举例），所以此处的数组就是保留线程在整个线程的执行过程中，不同的ThreadLocal变量中保存不同的数据，java.lang.ThreadLocal.ThreadLocalMap内部类的实现使用map结构，键为
ThreadLocal对象，而值为真正保存的变量值，InternalThreadLocalMap既然是数组，数组是一维的，数组最终肯定只能保存 真正要保持的变量值，那怎么区分不同的ThreadLocal在InternalThreadLocalMap中的下标呢？Netty采用的方式是将下标保存在FastThreadLocal中，我们知道，一般使用本地线程变量，FastThreadLocal的声明方式，一般是类变量（静态变量），诸如：private static final ThreadLocal aThreadLocal
= new ThreadLocal();整个系统ThreadLocal的个数其实不会很多，每个FastThreadLocal在InternalThreadLocalMap的下标（偏移量）在FastThreadLocal加载时候确定，并保持不变。并且每个InternalThreadLocal内部数组的第一元素，存放系统运行中的FastThreadLocal对象。InternalThreadLocalMap的内部数据结构为：

/** Used by {@link FastThreadLocal} */
Object[] indexedVariables;
现在举例说明上述理论，
比如整个项目，有A,B,C,D,E5个类中各声明了一个静态的FastThreadLocal变量，类的加载顺序为
  A , B  , D, E, C
那们 类A中的FastThreadLocal存放在线程变量InternalThreadLocalMap的下标为1，B,为2，D为3，依次内推，
比如线程 T1，在一次请求过程中，需要用的A,E,C三个类中的FastThreadLocalMap,那么线程T1,的InternalThreadLocalMap的水库中的下标为1为A,下标为2,3的元素为空，下标为4为E,下标5存放C中的变量值。
每个线程InternalThreadLocalMap下标为0的是一Set集合，存放的是系统运行中有效的FastThreadLocal变量。
根据这样的存放后，FastThreadLocal 的get,set方法，都是根据下标直接在InternalThreadLocalMap的数组中直接存储，当然，值得一提的是InternalThreadLocalMap中数组元素长度默认为32，如果系统的FastThreadLocal的数量超过32个的话，会成倍扩容。
FastThreadLocal学习的入口，建议从set,get方法入手即可，知道上述原理后，源码的阅读应该比较容易，就不做过多讲解了。

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