深度探究Netty中的FastThreadLocal为什么比ThreadLocal更高效？

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FastThreadLocal的实现与J.U.C包中的ThreadLocal非常类似。

了解过ThreadLocal原理的同学应该都清楚，它有几个关键的对象.

同样，Netty专门为FastThreadLocal量身打造了FastThreadLocalThread和InternalThreadLocalMap两个重要的类。下面我们看下这两个类是如何实现的。

PS，如果不懂ThreadLocal的朋友，可以看我这篇文章：ThreadLocal的使用及原理分析

FastThreadLocalThread是对Thread类的一层包装，每个线程对应一个InternalThreadLocalMap实例。只有FastThreadLocal和FastThreadLocalThread组合使用时，才能发挥 FastThreadLocal的性能优势。首先看下FastThreadLocalThread的源码定义：

可以看出 FastThreadLocalThread 主要扩展了 InternalThreadLocalMap 字段，我们可以猜测到 FastThreadLocalThread 主要使用 InternalThreadLocalMap 存储数据，而不再是使用 Thread 中的 ThreadLocalMap。所以想知道 FastThreadLocalThread 高性能的奥秘，必须要了解 InternalThreadLocalMap 的设计原理。

从 InternalThreadLocalMap 内部实现来看，与 ThreadLocalMap 一样都是采用数组的存储方式。

了解ThreadLocal的同学都知道，它内部也是采用数组的方式来实现hash表，对于hash冲突，采用了线性探索的方式来实现。

但是 InternalThreadLocalMap 并没有使用线性探测法来解决 Hash 冲突，而是在 FastThreadLocal 初始化的时候分配一个数组索引 index，index 的值采用原子类 AtomicInteger 保证顺序递增，通过调用 InternalThreadLocalMap.nextVariableIndex() 方法获得。然后在读写数据的时候通过数组下标 index 直接定位到 FastThreadLocal 的位置，时间复杂度为 O(1)。如果数组下标递增到非常大，那么数组也会比较大，所以 FastThreadLocal 是通过空间换时间的思想提升读写性能。

下面通过一幅图描述 InternalThreadLocalMap、index 和 FastThreadLocal 之间的关系。

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通过上面 FastThreadLocal 的内部结构图，我们对比下与 ThreadLocal 有哪些区别呢？

FastThreadLocal 使用 Object 数组替代了 Entry 数组，Object[0] 存储的是一个Set<FastThreadLocal<?>> 集合。

从数组下标 1 开始都是直接存储的 value 数据，不再采用 ThreadLocal 的键值对形式进行存储。

假设现在我们有一批数据需要添加到数组中，分别为 value1、value2、value3、value4，对应的 FastThreadLocal 在初始化的时候生成的数组索引分别为 1、2、3、4。如下图所示。

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至此，我们已经对 FastThreadLocal 有了一个基本的认识，下面我们结合具体的源码分析 FastThreadLocal 的实现原理。

在讲解源码之前，我们回过头看下上文中的 ThreadLocal 示例，如果把示例中 ThreadLocal 替换成 FastThread，应当如何使用呢？

可以看出，FastThreadLocal 的使用方法几乎和 ThreadLocal 保持一致，只需要把代码中 Thread、ThreadLocal 替换为 FastThreadLocalThread 和 FastThreadLocal 即可，Netty 在易用性方面做得相当棒。下面我们重点对示例中用得到 FastThreadLocal.set()/get() 方法做深入分析。

首先看下 FastThreadLocal.set() 的源码：

FastThreadLocal.set() 方法实现并不难理解，先抓住代码主干，一步步进行拆解分析。set() 的过程主要分为三步：

先来看InternalThreadLocalMap.get()方法：

如果thread实例类型是FastThreadLocalThread，则调用fastGet()。

InternalThreadLocalMap.get() 逻辑很简单.

关于 InternalThreadLocalMap 的初始化在上文中已经介绍过，它会初始化一个长度为 32 的 Object 数组，数组中填充着 32 个缺省对象 UNSET 的引用。

否则，则调用slowGet()，从代码实现来看，slowGet() 是针对非 FastThreadLocalThread 类型的线程发起调用时的一种兜底方案。如果当前线程不是 FastThreadLocalThread，内部是没有 InternalThreadLocalMap 属性的，Netty 在 UnpaddedInternalThreadLocalMap 中保存了一个 JDK 原生的 ThreadLocal，ThreadLocal 中存放着 InternalThreadLocalMap，此时获取 InternalThreadLocalMap 就退化成 JDK 原生的 ThreadLocal 获取。

获取 InternalThreadLocalMap 的过程已经讲完了，下面看下 setKnownNotUnset() 如何将数据添加到 InternalThreadLocalMap 的。

setKnownNotUnset() 主要做了两件事：

首先我们看下第一步 threadLocalMap.setIndexedVariable() 的源码实现：

indexedVariables 就是 InternalThreadLocalMap 中用于存放数据的数组，如果数组容量大于 FastThreadLocal 的 index 索引，那么直接找到数组下标 index 位置将新 value 设置进去，事件复杂度为 O(1)。在设置新的 value 之前，会将之前 index 位置的元素取出，如果旧的元素还是 UNSET 缺省对象，那么返回成功。

如果数组容量不够了怎么办呢？InternalThreadLocalMap 会自动扩容，然后再设置 value。接下来看看 expandIndexedVariableTableAndSet() 的扩容逻辑：

可以看出 InternalThreadLocalMap 实现数组扩容几乎和 HashMap 完全是一模一样的，所以多读源码还是可以给我们很多启发的。InternalThreadLocalMap 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，空余部分填充缺省对象 UNSET，最终把新数组赋值给 indexedVariables。

思考：为什么 InternalThreadLocalMap 以 index 为基准进行扩容，而不是原数组长度呢？

假设现在初始化了 70 个 FastThreadLocal，但是这些 FastThreadLocal 从来没有调用过 set() 方法，此时数组还是默认长度 32。当第 index = 70 的 FastThreadLocal 调用 set() 方法时，如果按原数组容量 32 进行扩容 2 倍后，还是无法填充 index = 70 的数据。所以使用 index 为基准进行扩容可以解决这个问题，但是如果 FastThreadLocal 特别多，数组的长度也是非常大的。

回到 setKnownNotUnset() 的主流程，向 InternalThreadLocalMap 添加完数据之后，接下就是将 FastThreadLocal 对象保存到待清理的 Set 中。我们继续看下 addToVariablesToRemove() 是如何实现的:

variablesToRemoveIndex 是采用 static final 修饰的变量，在 FastThreadLocal 初始化时 variablesToRemoveIndex 被赋值为 0。InternalThreadLocalMap 首先会找到数组下标为 0 的元素.

思考：为什么 InternalThreadLocalMap 要在数组下标为 0 的位置存放一个 FastThreadLocal 类型的 Set 集合呢？这时候我们回过头看下 remove() 方法。

在执行 remove 操作之前，会调用 InternalThreadLocalMap.getIfSet() 获取当前 InternalThreadLocalMap。

有了之前的基础，理解 getIfSet() 方法就非常简单了。

找到 InternalThreadLocalMap 之后，InternalThreadLocalMap 会从数组中定位到下标 index 位置的元素，并将 index 位置的元素覆盖为缺省对象 UNSET。

接下来就需要清理当前的 FastThreadLocal 对象，此时 Set 集合就派上了用场，InternalThreadLocalMap 会取出数组下标 0 位置的 Set 集合，然后删除当前 FastThreadLocal。最后 onRemoval() 方法起到什么作用呢？Netty 只是留了一处扩展，并没有实现，用户需要在删除的时候做一些后置操作，可以继承 FastThreadLocal 实现该方法。

再来看一下 FastThreadLocal.get() 的源码：

首先根据当前线程是否是 FastThreadLocalThread 类型找到 InternalThreadLocalMap，然后取出从数组下标 index 的元素，如果 index 位置的元素不是缺省对象 UNSET，说明该位置已经填充过数据，直接取出返回即可。

如果 index 位置的元素是缺省对象 UNSET，那么需要执行初始化操作。可以看到，initialize() 方***调用用户重写的 initialValue 方法构造需要存储的对象数据.

initialValue方法的构造方式如下。

构造完用户对象数据之后，接下来就会将它填充到数组 index 的位置，然后再把当前 FastThreadLocal 对象保存到待清理的 Set 中。整个过程我们在分析 FastThreadLocal.set() 时都已经介绍过，就不再赘述了。

到此为止，FastThreadLocal 最核心的两个方法 set()/get() 我们已经分析完了。下面有两个问题我们再深入思考下