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71. netty系列之:可能有人听过ThreadLocal,但一定没人听过ThreadLocal对象池

简介

JDK中的Thread大家肯定用过,只要是用过异步编程的同学肯定都熟悉。为了保存Thread中特有的变量,JDK引入了ThreadLocal类来专门对Thread的本地变量进行管理。

ThreadLocal

很多新人可能不明白ThreadLocal到底是什么,它和Thread到底有什么关系。

其实很简单,ThreadLocal本质上是一个key,它的value就是Thread中一个map中存储的值。

每个Thread中都有一个Map, 这个Map的类型是ThreadLocal.ThreadLocalMap。我们先不具体讨论这个ThreadLocalMap到底是怎么实现的。现在就简单将其看做是一个map即可。

接下来,我们看下一个ThreadLocal的工作流程。

首先来看一下ThreadLocal的使用例子:

   public class ThreadId {
// 一个线程ID的自增器
private static final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger(0);

// 为每个Thread分配一个线程
private static final ThreadLocal<Integer> threadId =
new ThreadLocal<Integer>() {
@Override protected Integer initialValue() {
return nextId.getAndIncrement();
}
};

// 返回当前线程的ID
public static int get() {
return threadId.get();
}
}

上面的类是做什么用的呢?

当你在不同的线程环境中调用ThreadId的get方法时候,会返回不同的int值。所以可以看做是ThreadId为每个线程生成了一个线程ID。

我们来看下它是怎么工作的。

首先我们调用了ThreadLocal的get方法。ThreadLocal中的get方法定义如下:

    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();
}

get方法中,我们第一步获取当前的线程Thread,然后getMap返回当前Thread中的ThreadLocalMap对象。

如果Map不为空,则取出以当前ThreadLocal为key对应的值。

如果Map为空,则调用初始化方法:

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

初始化方法首先判断当前Thread中的ThreadLocalMap是否为空,如果不为空则设置初始化的值。

如果为空则创建新的Map:

    void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

大家可以看到整个ThreadLocalMap中的Key就是ThreadLocal本身,而Value就是ThreadLocal中定义的泛型的值。

现在我们来总结一下ThreadLocal到底是做什么的。

每个Thread中都有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap的Map对象,我们希望向这个Map中存放一些特定的值,通过一个特定的对象来访问到存放在Thread中的这个值,这样的对象就是ThreadLocal。

通过ThreadLocal的get方法,就可以返回绑定到不同Thread对象中的值。

ThreadLocalMap

上面我们简单的将ThreadLocalMap看做是一个map。事实上ThreadLocalMap是一个对象,它里面存放的每个值都是一个Entry.

这个Entry不同于Map中的Entry,它是一个static的内部类:

        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;

Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}

注意,这里的Entry继承自WeakReference,表示这个Entry的key是弱引用对象,如果key没有强引用的情况下,会在gc中被回收。从而保证了Map中数据的有效性。

ThreadLocalMap中的值都存放在Entry数组中:

private Entry[] table;

我们看一下怎么从ThreadLocalMap中get一个值的:

        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);
}

key.threadLocalHashCode 可以简单的看做是ThreadLocal代表的key的值。

而 key.threadLocalHashCode & (table.length - 1) 则使用来计算当前key在table中的index。

这里使用的是位运算,用来提升计算速度。实际上这个计算等同于:

key.threadLocalHashCode % table.length

是一个取模运算。

如果按照取模运算的index去查找,找到就直接返回。

如果没找到则会遍历调用nextIndex方法,修改index的值,只到查找完毕为止:

        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;
}

Recycler

ThreadLocal本质上是将ThreadLocal这个对象和不同的Thread进行绑定,通过ThreadLocal的get方法可以获得存储在不同Thread中的值。

归根结底,ThreadLocal和Thread是一对多的关系。因为ThreadLocal在ThreadLocalMap中是弱引用,所以当ThreadLocal被置为空之后,对应的ThreadLocalMap中的对象会在下一个垃圾回收过程中被回收,从而为Thread中的ThreadLocalMap节省一个空间。

那么当我们的Thread是一个长时间运行的Thread的时候,如果在这个Thread中分配了很多生命周期很短的对象,那么会生成很多待回收的垃圾对象,给垃圾回收器造成压力。

为了解决这个问题,netty为我们提供了Recycler类,用来回收这些短生命周期的对象。接下来,我们来探究一下Recycler到底是怎么工作的。

在这之前,我们先看下怎么使用Recycler。

public class MyObject {

private static final Recycler<MyObject> RECYCLER = new Recycler<MyObject>() {
protected MyObject newObject(Recycler.Handle<MyObject> handle) {
return new MyObject(handle);
}
}

public static MyObject newInstance(int a, String b) {
MyObject obj = RECYCLER.get();
obj.myFieldA = a;
obj.myFieldB = b;
return obj;
}

private final Recycler.Handle<MyObject> handle;
private int myFieldA;
private String myFieldB;

private MyObject(Handle<MyObject> handle) {
this.handle = handle;
}

public boolean recycle() {
myFieldA = 0;
myFieldB = null;
return handle.recycle(this);
}
}

MyObject obj = MyObject.newInstance(42, "foo");
...
obj.recycle();

本质上,Recycler就像是一个工厂类,通过它的get方法来生成对应的类对象。当这个对象需要被回收的时候,调用Recycler.Handle中的recycle方法,即可将对象回收。

先看一下生成对象的get方法:

    public final T get() {
if (maxCapacityPerThread == 0) {
return newObject((Handle<T>) NOOP_HANDLE);
}
Stack<T> stack = threadLocal.get();
DefaultHandle<T> handle = stack.pop();
if (handle == null) {
handle = stack.newHandle();
handle.value = newObject(handle);
}
return (T) handle.value;
}

上面代码的含义就是,先判断是否超过了单个线程允许的最大容量,如果是,则返回一个新的对象,绑定一个空的handler,表示这个新创建的对象是不可以被回收的。

如果不是,则从threadLocal中拿到当前线程绑定的Stack。然后从Stack中取出最上面的元素,如果Stack中没有对象,则创建新的对象,并绑定handle。

最后返回handle绑定的对象。

再看一下handle的回收对象方法recycle:

        public void recycle(Object object) {
if (object != value) {
throw new IllegalArgumentException("object does not belong to handle");
}

Stack<?> stack = this.stack;
if (lastRecycledId != recycleId || stack == null) {
throw new IllegalStateException("recycled already");
}

stack.push(this);
}

上面的代码先去判断和handle绑定的对象是不是要回收的对象。只有相等的时候才进行回收。

而回收的本质就是将对象push到stack中,供后续get的时候取出使用。

所以,Recycler能够节约垃圾回收对象个数的原因是,它会将不再使用的对象存储到Stack中,并在下次get的时候返回,重复使用。这也就是我们在回收需要重置对象属性的原因:

  public boolean recycle() {
myFieldA = 0;
myFieldB = null;
return handle.recycle(this);
}

总结

如果你在一个线程中会有多个同类型的短生命周期对象,那么不妨试试Recycle吧。


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