本章，我将对Netty中的 Recycler对象池 进行讲解。所谓对象池，顾名思义，就是程序对象（Java对象）的一个缓存池。与内存池类似，对象池的目的也是为了提升 Netty 的并发处理能力，避免频繁创建和销毁对象所带来的性能损耗。
那么，Netty是如何实现对象池的？我们在实践中又该如何运用对象池呢？带着这两个问题，我们来看Netty中Recycler对象池的设计与实现。
一、Recycler简介
Recycler是Netty实现的轻量级对象回收站，借助 Recycler 可以完成对象的获取和回收。
1.1 基本使用
我们通过一个例子直观感受下 Recycler 如何使用。
假设我们有一个User类，需要实现User对象的复用。首先，我们定义一个UserRecycler对象池：
// UserRecycler.java
public class UserRecycler extends Recycler<User> {
@Override
protected User newObject(Handle handle) {
return new User(handle);
}
}
User对象：
// User.java
public class User {
private Recycler.Handle<User> handle;
private String name;
public User(Recycler.Handle<User> handle) {
this.handle = handle;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public void recycle() {
handle.recycle(this);
}
}
测试用例：
public class RecyclerTest {
private static final UserRecycler userRecycler = new UserRecycler();
public static void main(String[] args) {
// 1.从对象池获取User对象
User user1 = userRecycler.get();
user1.setName("hello");
// 2.回收对象
user1.recycle();
// 3.从对象池获取对象
User user2 = userRecycler.get();
System.out.println(user2.getName());
System.out.println(user1 == user2);
}
}
打印结果如下：
hello
true
1.2 内部结构
Recycler的内部结构，如下图所示：
可以看到，Recycler一共包含四个核心组件： Stack 、 WeakOrderQueue 、 Link 、 DefaultHandle 。各个组件的关系，可以通过下图描述：
Stack
Stack是每个线程私有的，用于存储当前线程回收的对象。Netty 为了避免多线程场景下的锁竞争问题，每个线程都会持有自己的对象池，内部通过FastThreadLocal来实现线程私有化。
FastThreadLocal 可以理解为Netty里的 ThreadLocal，后续我章节会专门对它进行讲解。
来看下Stack的源码：
// Recycler.Stack.java
private static final class Stack<T> {
// 所属的Recycler
final Recycler<T> parent;
// 所属线程的弱引用
final WeakReference<Thread> threadRef;
// WeakOrderQueue最大个数
private final int maxDelayedQueues;
// 其它线程回收对象时，最多可以回收当前线程创建的对象个数
final AtomicInteger availableSharedCapacity;
// 对象池的最大大小，默认4k
private final int maxCapacity;
// 存储缓存数据的数组
DefaultHandle<?>[] elements;
// 缓存的DefaultHandle对象个数
int size;
// WeakOrderQueue链表的三个重要指针
private WeakOrderQueue cursor, prev;
private volatile WeakOrderQueue head;
//...
}
Stack内部有一个WeakOrderQueue链表，链表的每个节点指向一个WeakOrderQueue队列，每个队列里保存着 其它线程所释放的对象 。
比如，ThreadA 表示当前线程，那么它Stack内部的WeakOrderQueue链表，就存储着 ThreadB、ThreadC 等其它线程释放的对象。
availableSharedCapacity字段的默认值为：new AtomicInteger(max(maxCapacity / maxSharedCapacityFactor, LINK_CAPACITY)) = 16K。它的含义是：其它线程在回收对象时，最多可以回收 ThreadA 创建的对象个数不能超过 availableSharedCapacity。
WeakOrderQueue
WeakOrderQueue 用于存储其它线程回收当前线程所分配的对象，并且在合适的时机，Stack会从其它线程的 WeakOrderQueue 中收割对象。比如，ThreadB从ThreadA回收对象时，会将回收到的对象放到ThreadA的 WeakOrderQueue中。
Link
每个 WeakOrderQueue 中都包含一个 Link 链表，回收对象都会被存在 Link 链表中的节点上，每个 Link 节点默认存储 16 个对象，当每个 Link 节点存储满了会创建新的 Link 节点放入链表尾部。
DefaultHandle
DefaultHandle 实例中保存了实际回收的对象，Stack 和 WeakOrderQueue 都使用 DefaultHandle 存储回收的对象。
二、Recycler原理
对 Recycler 有了初步认识后，我们再来看从 Recycler 获取对象和回收对象的原理。
2.1 获取对象
从对象池中获取对象的入口是在Recycler.get()方法，该方法的逻辑非常清晰：
- 首先，通过 FastThreadLocal 获取当前线程的私有Stack；
- 尝试出栈一个 DefaultHandle 对象，如果结果为空说明 Stack 中没有可用 DefaultHandle 对象，则调用newObject生成一个新对象，并完成handle与对象和Stack的绑定。
// Recycler.java
public final T get() {
if (maxCapacityPerThread == 0) {
return newObject((Handle<T>) NOOP_HANDLE);
}
// 获取当前线程的私有Stack
Stack<T> stack = threadLocal.get();
// 出栈一个DefaultHandle对象
DefaultHandle<T> handle = stack.pop();
if (handle == null) {
handle = stack.newHandle();
// 创建对象，并保存到 DefaultHandle
handle.value = newObject(handle);
}
return (T) handle.value;
}
我们再来看 Stack的出栈操作，跟进下Stack.pop()的源码：
// Recycler.Stack.java
DefaultHandle<T> pop() {
int size = this.size;
if (size == 0) {
// 尝试从其它线程回收的对象中转移一些到自己的elements数组中
if (!scavenge()) {
return null;
}
size = this.size;
if (size <= 0) {
// double check, avoid races
return null;
}
}
// 从栈顶弹出元素
size --;
DefaultHandle ret = elements[size];
elements[size] = null;
this.size = size;
if (ret.lastRecycledId != ret.recycleId) {
throw new IllegalStateException("recycled multiple times");
}
ret.recycleId = 0;
ret.lastRecycledId = 0;
return ret;
}
整个逻辑也很清晰：
- 如果当前线程的私有Stack中有可用的对象，直接将对象出栈；
- 如果 elements 数组中没有可用的对象，则调用 scavenge 方法。scavenge 的作用是从其它线程回收的对象中转移一些到 elements 数组当中。
Stack.scavenge()方法非常有意思，它会想办法从 WeakOrderQueue 链表中迁移部分对象。它的设计思想与J.U.C中的ForkJoinPool有些类似，ForkJoinPool采用了“工作窃取”算法，也是从其它线程中“窃取”对象执行。
每个 Stack 都有一个 WeakOrderQueue 链表，链表中的每个 WeakOrderQueue 中保存了其它线程回收的对象：
// Recycler.Stack.java
private boolean scavenge() {
// 尝试从 WeakOrderQueue 中转移对象到Stack中
if (scavengeSome()) {
return true;
}
// 如果迁移失败，就会重置cursor指针到head节点
prev = null;
cursor = head;
return false;
}
继续看scavengeSome方法：
// Recycler.Stack.java
private boolean scavengeSome() {
WeakOrderQueue prev;
// cursor指针指向当前WeakorderQueueu链表的读取位置
WeakOrderQueue cursor = this.cursor;
// 如果cursor指针为null, 则是第一次从WeakorderQueueu链表中获取对象
if (cursor == null) {
prev = null;
cursor = head;
if (cursor == null) {
return false;
}
} else {
prev = this.prev;
}
// 不断循环从WeakOrderQueue链表中找到一个可用的对象实例
boolean success = false;
do {
// 尝试迁移WeakOrderQueue中部分对象实例到Stack中
if (cursor.transfer(this)) {
success = true;
break;
}
WeakOrderQueue next = cursor.getNext();
if (cursor.get() == null) {
// 如果已退出的线程还有数据
if (cursor.hasFinalData()) {
for (;;) {
if (cursor.transfer(this)) {
success = true;
} else {
break;
}
}
}
// 将已退出的线程从WeakOrderQueue链表中移除
if (prev != null) {
cursor.reclaimAllSpaceAndUnlink();
prev.setNext(next);
}
} else {
prev = cursor;
}
// 将cursor指针指向下一个WeakOrderQueue
cursor = next;
} while (cursor != null && !success);
this.prev = prev;
this.cursor = cursor;
return success;
}
scavenge 的源码中，首先会从 cursor 指针指向的 WeakOrderQueue 节点回收部分对象到 Stack 的 elements 数组中，如果没有回收到数据就会将 cursor 指针移到下一个 WeakOrderQueue，重复执行以上过程直至回收到对象为止，可以通过下图来理解：
2.2 回收对象
理解了如何从 Recycler 获取对象之后，我们再来看 Recycler 是如何回收对象的，直接定位到对象回收的源码入口 DefaultHandle.recycle()：
// Recycler.DefaultHandle.java
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);
}
在回收对象时，会向 Stack 中 push 对象，push 会分为 当前线程回收 和 其它线程回收 两种情况，分别对应pushNow和pushLater两个方法：
// Recycler.DefaultHandle.java
void push(DefaultHandle<?> item) {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
if (threadRef.get() == currentThread) {
// 当前线程回收
pushNow(item);
} else {
// 其它线程回收
pushLater(item, currentThread);
}
}
当前线程回收
当前线程回收对象的逻辑非常简单，就是直接向 Stack 的 elements 数组中添加数据，对象会被存放在栈顶指针指向的位置。如果超过了 Stack 的最大容量，那么对象会被直接丢弃，这里使用了dropHandle方法控制对象的回收速率，每 8 个对象会有一个被回收到 Stack 中：
// Recycler.DefaultHandle.java
private void pushNow(DefaultHandle<?> item) {
// 防止被多次回收
if (item.recycleId != 0 || !item.compareAndSetLastRecycledId(0, OWN_THREAD_ID)) {
throw new IllegalStateException("recycled already");
}
item.recycleId = OWN_THREAD_ID;
int size = this.size;
// 1. 超出最大容量 2. 控制回收速率
if (size >= maxCapacity || dropHandle(item)) {
return;
}
if (size == elements.length) {
elements = Arrays.copyOf(elements, min(size << 1, maxCapacity));
}
elements[size] = item;
this.size = size + 1;
}
其它线程回收
其它线程回收时，首先通过 FastThreadLocal 取出当前对象的DELAYED_RECYCLED缓存：DELAYED_RECYCLED 存放着当前线程帮助其它线程回收对象的映射关系。
举个例子，假如 item 是 ThreadA 分配的对象，当前线程是 ThreadB，此时 ThreadB 帮助 ThreadA 回收 item，那么 DELAYED_RECYCLED 放入的 key 是 StackA，然后从 delayedRecycled 中取出 StackA 对应的 WeakOrderQueue，如果 WeakOrderQueue 不存在，那么为 StackA 新创建一个 WeakOrderQueue，并将其加入DELAYED_RECYCLED缓存。
WeakOrderQueue.allocate() 会检查帮助 StackA 回收的对象总数是否超过 2K 个，如果没有超过 2K，会将 StackA 的 head 指针指向新创建的 WeakOrderQueue，否则不再为 StackA 回收对象。
当然 ThreadB 不会只帮助 ThreadA 回收对象，它可以帮助其它多个线程回收，所以 DELAYED_RECYCLED 使用的 Map 结构，为了防止 DELAYED_RECYCLED 内存膨胀，Netty 也采取了保护措施，从 delayedRecycled.size() >= maxDelayedQueues 可以看出，每个线程最多帮助 2 倍 CPU 核数的线程回收线程，如果超过了该阈值，假设当前对象绑定的为 StackX，那么将在 Map 中为 StackX 放入一种特殊的 WeakOrderQueue.DUMMY，表示当前线程无法帮助 StackX 回收对象。
// Recycler.DefaultHandle.java
private void pushLater(DefaultHandle<?> item, Thread thread) {
if (maxDelayedQueues == 0) {
return;
}
// 当前线程帮助其它线程回收对象的缓存映射
Map<Stack<?>, WeakOrderQueue> delayedRecycled = DELAYED_RECYCLED.get();
// 取出 Stack 对应的 WeakOrderQueue
WeakOrderQueue queue = delayedRecycled.get(this);
if (queue == null) {
// 最多帮助2 * CPU核数的线程回收线程
if (delayedRecycled.size() >= maxDelayedQueues) {
// 存一个Dummy节点，表示当前线程无法再帮助该Stack回收对象
delayedRecycled.put(this, WeakOrderQueue.DUMMY);
return;
}
// 新建WeakOrderQueue
if ((queue = newWeakOrderQueue(thread)) == null) {
return;
}
delayedRecycled.put(this, queue);
} else if (queue == WeakOrderQueue.DUMMY) {
return;
}
// 添加对象到WeakOrderQueue的Link链表中
queue.add(item);
}
至此，Recycler如何获取和回收对象的底层原理就全部分析完了，Recycler回收对象时向WeakOrderQueue中存放对象，从Recycler获取对象时，WeakOrderQueue中的对象会作为Stack的储备，而且有效地解决了跨线程回收的问题。
三、总结
Netty中大量运用了Recycler。 例如，我们在使用 PooledDirectByteBuf 时，并不是每次都去创建新的对象，而是从对象池中获取预先分配好的对象实例，不再使用 PooledDirectByteBuf 时，会被回收归还到对象池中。
最后，对Recycler对象池进行一个总结：
- 对象池有两个重要的组成部分：Stack 和 WeakOrderQueue；
- Recycler 获取对象时，优先从 Stack 中查找，如果 Stack 没有可用对象，会尝试从 WeakOrderQueue 迁移部分对象到 Stack 中；
- Recycler 回收对象时，分为当前线程对象回收和其它线程对象回收两种情况，当前线程回收直接向 Stack 中添加对象，其它线程回收向 WeakOrderQueue 中的 Link 添加对象；
- 对象回收时会控制回收速率，每8个对象会回收一个，其他的全部丢弃。
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