多线程高并发编程(8) -- Fork/Join源码分析

一.概念

　　Fork/Join就是将一个大任务分解(fork)成许多个独立的小任务，然后多线程并行去处理这些小任务，每个小任务处理完得到结果再进行合并(join)得到最终的结果。

　　流程：任务继承RecursiveTask，重写compute方法，使用ForkJoinPool的submit提交任务，任务在某个线程中运行，工作任务中的compute方法的代码开始对任务进行分析，如果符合条件就进行任务拆分，拆分成多个子任务，每个子任务进行数据的计算或操作，得到结果返回给上一层任务开启线程进行合并，最终通过get获取整体处理结果。【只能将任务1个切分为两个，不能切分为3个或其他数量】

ForkJoinTask：代表fork/join里面的任务类型，一般用它的两个子类RecursiveTask（任务有返回值）和RecursiveAction（任务没有返回值），任务的处理逻辑包括任务的切分都是在重写compute方法里面进行处理。只有ForkJoinTask任务可以被拆分运行和合并运行。【可查看上篇Future源码分析的类图结构】【ForkJoinTask使用了模板模式进行设计，将ForkJoinTask的执行相关代码进行隐藏，通过提供抽象类（即子类RecursiveTask、RecursiveAction）暴露用户的实际业务处理。】

RecursiveTask：在进行exec之后会使用一个result的变量进行接受返回的结果；

public abstract class RecursiveTask<V> extends ForkJoinTask<V> {
    V result;
    protected abstract V compute();

    public final V getRawResult() {
        return result;
    }

    protected final void setRawResult(V value) {
        result = value;
    }
    protected final boolean exec() {
        result = compute();
        return true;
    }

}

RecursiveAction：在进行exec之后没有返回结果；

public abstract class RecursiveAction extends ForkJoinTask<Void> {
   
    protected abstract void compute();

    public final Void getRawResult() { return null; }

    protected final void setRawResult(Void mustBeNull) { }

    protected final boolean exec() {
        compute();
        return true;
    }

}

ForkJoinPool：fork/join框架的管理者，最原始的任务都要交给它来处理。它负责控制整个fork/join有多少个工作线程，工作线程的创建、机会都是由它来控制。它还负责workQueue队列的创建和分配，每当创建一个工作线程，它负责分配对应的workQueue，然后它把接到的活都交给工作线程去处理。是整个fork/join的容器。
- ForkJoinPool.WorkQueue：双端队列，负责存储接收的任务；
ForkJoinWorkerThread：fork/join里面真正干活的”工人“，它继承了Thread，所以本质是一个线程。它有一个ForkJoinPool.WorkQueue的队列存放着它要干的活，接活之前它要向ForkJoinPool注册（registerWorker），拿到相应的workQueue，然后就从workQueue里面拿任务出来处理。它是依附于ForkJoinPool而存活，如果ForkJoinPool销毁了，它也会跟着结束。【每一个ForkJoinWorkerThread线程都具有一个独立的任务等待队列workQueue。】
- 当使用ForkJoinPool进行submit任务提交时，创建1个workQueue将任务放进去，然后进行fork任务切分，如果切分后的任务放的进去之前的workQueue就放进去，不行就随机选取workQueue放进去，如果还放不了就创建一个新的workQueue放进去；
```
public class ForkJoinWorkerThread extends Thread {
    final ForkJoinPool pool;
    final ForkJoinPool.WorkQueue workQueue;
    protected ForkJoinWorkerThread(ForkJoinPool pool) {
        super("aForkJoinWorkerThread");
        this.pool = pool;
        this.workQueue = pool.registerWorker(this);//向ForkJoinPool执行池注册当前工作线程，ForkJoinPool为其分配一个工作队列
    }
}
```

二.用法

　　以前1+2+3+...+100这样的处理可以用for循环处理，现在使用fork/join来处理：从下面结果可以看到，大任务被不断的拆分成小任务，然后添加到工作线程的队列中，每个小任务都会被工作线程从队列中取出进行运行，然后每个小任务的结果的合并也由工作线程执行，然后不断的汇总成最终结果。【task通过ForkJoinPool来执行，分割的子任务添加到当前工作线程的队列中，进入队列的头部，当一个工作线程中没有任务时，会从其他工作线程的队列尾部获取一个任务。（工作窃取：当前工作线程对应的队列中没有任务了，从其他工作线程对应的队列中取出任务进行操作，然后将操作结果返还给对应队列的线程。）】

public class MyFrokJoinTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private int begin;
    private int end;

    public MyFrokJoinTask(int begin, int end) {
        this.begin = begin;
        this.end = end;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        ForkJoinTask<Integer> result = pool.submit(new MyFrokJoinTask(1, 100));//提交任务
        System.out.println("计算的值："+result.get());//得到最终的结果

    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
        if (end - begin <= 2) {
            for (int i = begin; i <= end; i++) {
                sum += i;
                System.out.println("i:"+i);
            }
        } else {
            MyFrokJoinTask d1 = new MyFrokJoinTask(begin, (begin + end) / 2);
            MyFrokJoinTask d2 = new MyFrokJoinTask((begin + end) / 2+1, end);
            d1.fork();//任务拆分
            d2.fork();//任务拆分
            Integer a = d1.join();//每个任务的结果
            Integer b = d2.join();//每个任务的结果
            sum = a + b;//汇总任务结果
            System.out.println("sum:" + sum + ",a:" + a + ",b:" + b);
        }
        System.out.println("name:"+Thread.currentThread().getName());
        return sum;
    }
}
//=========结果============
i:1
i:2
name:ForkJoinPool-1-worker-1
i:3
i:4
name:ForkJoinPool-1-worker-1
sum:10,a:3,b:7
name:ForkJoinPool-1-worker-1
i:5
i:6
i:7
name:ForkJoinPool-1-worker-1
sum:28,a:10,b:18
name:ForkJoinPool-1-worker-1
...............
...............
sum:91,a:28,b:63
sum:99,a:45,b:54
name:ForkJoinPool-1-worker-3
name:ForkJoinPool-1-worker-1
i:23
i:24
i:25
name:ForkJoinPool-1-worker-2
sum:135,a:63,b:72
name:ForkJoinPool-1-worker-2
sum:234,a:99,b:135
name:ForkJoinPool-1-worker-3
sum:325,a:91,b:234
name:ForkJoinPool-1-worker-1
sum:1275,a:325,b:950
name:ForkJoinPool-1-worker-1
sum:5050,a:1275,b:3775
name:ForkJoinPool-1-worker-1
计算的值：5050

三.分析

　　ForkJoinPool

ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
//Runtime.getRuntime().availableProcessors()当前操作系统可以使用的CPU内核数量
public ForkJoinPool() {
    this(Math.min(MAX_CAP, Runtime.getRuntime().availableProcessors()),
         defaultForkJoinWorkerThreadFactory, null, false);
}
//this调用到下面这段代码
public ForkJoinPool(int parallelism,
                    ForkJoinWorkerThreadFactory factory,
                    UncaughtExceptionHandler handler,
                    boolean asyncMode) {
    this(checkParallelism(parallelism), //并行度
            checkFactory(factory), //工作线程创建工厂
            handler, //异常处理handler
            asyncMode ? FIFO_QUEUE : LIFO_QUEUE, //任务队列出队模式 异步：先进先出，同步：后进先出
            "ForkJoinPool-" + nextPoolId() + "-worker-");
    checkPermission();
}
//上面的this最终调用到下面这段代码
private ForkJoinPool(int parallelism,
                     ForkJoinWorkerThreadFactory factory,
                     UncaughtExceptionHandler handler,
                     int mode,
                     String workerNamePrefix) {
    this.workerNamePrefix = workerNamePrefix;
    this.factory = factory;
    this.ueh = handler;
    this.config = (parallelism & SMASK) | mode;
    long np = (long)(-parallelism); // offset ctl counts
    this.ctl = ((np << AC_SHIFT) & AC_MASK) | ((np << TC_SHIFT) & TC_MASK);
}

parallelism：可并行数量，fork/join框架将依据这个并行数量的设定，决定框架内并行执行的线程数量。并行的每一个任务都会有一个线程进行处理；

factory：当fork/join创建一个新的线程时，同样会用到线程创建工厂。它实现了ForkJoinWorkerThreadFactory接口，使用默认的的接口实现类DefaultForkJoinWorkerThreadFactory来实现newThread方法创建一个新的工作线程；

public static interface ForkJoinWorkerThreadFactory {
        /**
         * Returns a new worker thread operating in the given pool.
         */
        public ForkJoinWorkerThread newThread(ForkJoinPool pool);
    }

    static final class DefaultForkJoinWorkerThreadFactory
        implements ForkJoinWorkerThreadFactory {
        public final ForkJoinWorkerThread newThread(ForkJoinPool pool) {
            return new ForkJoinWorkerThread(pool);
        }
    }

handler：异常捕获处理器。当执行的任务出现异常，并从任务中被抛出时，就会被handler捕获；
asyncMode：fork/join为每一个独立的工作线程准备了对应的待执行任务队列，这个任务队列是使用数组进行组合的双向队列。即可以使用先进先出的工作模式，也可以使用后进先出的工作模式；

　　Fork()和Join()

　　fork/join框架中提供的fork()和join()是最重要的两个方法，它们和parallelism(”可并行任务数量“)配合工作，可以导致拆分的子任务T1.1、T1.2甚至TX在fork/join中不同的运行效果(上面1+2....+100的每次运行的子任务都是不同的)。即TX子任务或等待其他已存在的线程运行关联的子任务(sum操作)，或在运行TX的线程中”递归“执行其他任务(将1-50进行拆分后的子任务递归运行），或启动一个新的线程执行子任务(运行1-50另一边拆分的任务，即50-100的子任务）。

　　fork()用于将新创建的子任务放入当前线程的workQueue队列中，fork/join框架将根据当前正在并发执行ForkJoinTask任务的ForkJoinWorkerThread线程状态，决定是让这个任务在队列中等待，还是创建一个新的ForkJoinWorkedThread线程运行它，又或者是唤起其他正在等待任务的ForkJoinWorkerThread线程运行它。

　　join()用于让当前线程阻塞，直到对应的子任务完成运行并返回执行结果。或者，如果这个子任务存在于当前线程的任务等待队列workQueue中，则取出这个子任务进行”递归“执行，其目的是尽快得到当前子任务的运行结果，然后继续执行。

　　提交任务：

sumbit的第一次提交：ForkJoinPool.submit(ForkJoinTask<T> task) -> externalPush(task) -> externalSubmit(task)

submit：

public <T> ForkJoinTask<T> submit(ForkJoinTask<T> task) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        externalPush(task);
        return task;
    }

    public <T> ForkJoinTask<T> submit(Callable<T> task) {
        ForkJoinTask<T> job = new ForkJoinTask.AdaptedCallable<T>(task);
        externalPush(job);
        return job;
    }

    public <T> ForkJoinTask<T> submit(Runnable task, T result) {
        ForkJoinTask<T> job = new ForkJoinTask.AdaptedRunnable<T>(task, result);
        externalPush(job);
        return job;
    }

    public ForkJoinTask<?> submit(Runnable task) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        ForkJoinTask<?> job;
        if (task instanceof ForkJoinTask<?>) // avoid re-wrap
            job = (ForkJoinTask<?>) task;
        else
            job = new ForkJoinTask.AdaptedRunnableAction(task);
        externalPush(job);
        return job;
    }

externalPush：将任务添加到随机选取的队列中或新创建的队列中；

final void externalPush(ForkJoinTask<?> task) {
        WorkQueue[] ws; WorkQueue q; int m;
        int r = ThreadLocalRandom.getProbe();//当前线程的一个随机数
        int rs = runState;//当前容器的状态
        //如果随机选取的队列还有空位置可以存放、队列加锁锁定成功，任务就放入队列中
        if ((ws = workQueues) != null && (m = (ws.length - 1)) >= 0 &&
            (q = ws[m & r & SQMASK]) != null && r != 0 && rs > 0 &&
            U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 0, 1)) {
            ForkJoinTask<?>[] a; int am, n, s;
            if ((a = q.array) != null &&
                (am = a.length - 1) > (n = (s = q.top) - q.base)) {
                int j = ((am & s) << ASHIFT) + ABASE;
                U.putOrderedObject(a, j, task);//任务加入队列中
                U.putOrderedInt(q, QTOP, s + 1);//挪动下次任务存放的槽的位置
                U.putIntVolatile(q, QLOCK, 0);//队列解锁
                if (n <= 1)//当前数组元素少时，进行唤醒当前线程；或者当没有活动线程或线程数较少时，添加新的线程
                    signalWork(ws, q);
                return;
            }
            U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 1, 0);//队列解锁
        }
        externalSubmit(task);//升级版的externalPush
    }


    volatile int runState;               // lockable status锁定状态
    // runState: SHUTDOWN为负数，其他的为2的次幂
    private static final int  RSLOCK     = 1;
    private static final int  RSIGNAL    = 1 << 1;//唤醒
    private static final int  STARTED    = 1 << 2;//启动
    private static final int  STOP       = 1 << 29;//停止
    private static final int  TERMINATED = 1 << 30;//结束
    private static final int  SHUTDOWN   = 1 << 31;//关闭

externalSubmit：队列添加任务失败，进行升级版操作，即创建队列数组和创建队列后，将任务放入新创建的队列中；

private void externalSubmit(ForkJoinTask<?> task) {
    int r;                                    // initialize caller's probe
    if ((r = ThreadLocalRandom.getProbe()) == 0) {
        ThreadLocalRandom.localInit();
        r = ThreadLocalRandom.getProbe();
    }
    for (;;) {//自旋
        WorkQueue[] ws; WorkQueue q; int rs, m, k;
        boolean move = false;
        /**
        *ForkJoinPool执行器停止工作了，抛出异常
        *ForkJoinPool extends AbstractExecutorService
        *abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService
        *interface ExecutorService extends Executor
        *interface Executor执行提交的对象Runnable任务
        */
        if ((rs = runState) < 0) {
            tryTerminate(false, false);    // help terminate
            throw new RejectedExecutionException();
        }
        //第一次遍历，队列数组未创建，进行创建
        else if ((rs & STARTED) == 0 ||     // initialize初始化
                 ((ws = workQueues) == null || (m = ws.length - 1) < 0)) {
            int ns = 0;
            rs = lockRunState();
            try {
                if ((rs & STARTED) == 0) {
                    U.compareAndSwapObject(this, STEALCOUNTER, null,
                                           new AtomicLong());
                    // create workQueues array with size a power of two
                    int p = config & SMASK; // ensure at least 2 slots，config是CPU核数
                    int n = (p > 1) ? p - 1 : 1;
                    n |= n >>> 1; n |= n >>> 2;  n |= n >>> 4;
                    n |= n >>> 8; n |= n >>> 16; n = (n + 1) << 1;
                    workQueues = new WorkQueue[n];//创建
                    ns = STARTED;
                }
            } finally {
                unlockRunState(rs, (rs & ~RSLOCK) | ns);
            }
        }
        //第三次遍历，把任务放入队列中
        else if ((q = ws[k = r & m & SQMASK]) != null) {
            if (q.qlock == 0 && U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 0, 1)) {
                ForkJoinTask<?>[] a = q.array;
                int s = q.top;
                boolean submitted = false; // initial submission or resizing
                try {                      // locked version of push
                    if ((a != null && a.length > s + 1 - q.base) ||
                        (a = q.growArray()) != null) {
                        int j = (((a.length - 1) & s) << ASHIFT) + ABASE;
                        U.putOrderedObject(a, j, task);
                        U.putOrderedInt(q, QTOP, s + 1);
                        submitted = true;
                    }
                } finally {
                    U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 1, 0);
                }
                if (submitted) {
                    signalWork(ws, q);
                    return;
                }
            }
            move = true;                   // move on failure
        }
        //第二次遍历，队列数组为空，创建队列
        else if (((rs = runState) & RSLOCK) == 0) { // create new queue
            q = new WorkQueue(this, null);
            q.hint = r;
            q.config = k | SHARED_QUEUE;
            q.scanState = INACTIVE;
            rs = lockRunState();           // publish index
            if (rs > 0 &&  (ws = workQueues) != null &&
                k < ws.length && ws[k] == null)
                ws[k] = q;                 // else terminated
            unlockRunState(rs, rs & ~RSLOCK);
        }
        else
            move = true;                   // move if busy
        if (move)
            r = ThreadLocalRandom.advanceProbe(r);
    }
}

fork任务切分的提交：ForkJoinTask.fork() -> ForkJoinWorkerThread.workQueue.push(task)/ForkJoinPool.common.externalPush(task) -> ForkJoinPool.push(task)/externalPush(task)

fork：

public final ForkJoinTask<V> fork() {
        Thread t;
        if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)//当前线程是workerThread，任务直接放入workerThread当前的workQueue
            ((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
        else
            ForkJoinPool.common.externalPush(this);//将任务添加到随机选取的队列中或新创建的队列中
        return this;
    }

push：

public class ForkJoinPool extends AbstractExecutorService {
        static final class WorkQueue {
            final void push(ForkJoinTask<?> task) {
                ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;
                int b = base, s = top, n;
                if ((a = array) != null) {    // ignore if queue removed，队列被移除忽略
                    int m = a.length - 1;     // fenced write for task visibility
                    U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);//任务加入队列中
                    U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);//挪动下次任务存放的槽的位置
                    if ((n = s - b) <= 1) {//当前数组元素少时，进行唤醒当前线程；或者当没有活动线程或线程数较少时，添加新的线程
                        if ((p = pool) != null)
                            p.signalWork(p.workQueues, this);
                    }
                    else if (n >= m)//数组所有元素都满了进行2倍扩容
                        growArray();
                }
            }
            final ForkJoinTask<?>[] growArray() {
                ForkJoinTask<?>[] oldA = array;
                int size = oldA != null ? oldA.length << 1 : INITIAL_QUEUE_CAPACITY;//2倍扩容或初始化
                if (size > MAXIMUM_QUEUE_CAPACITY)
                    throw new RejectedExecutionException("Queue capacity exceeded");
                int oldMask, t, b;
                ForkJoinTask<?>[] a = array = new ForkJoinTask<?>[size];
                if (oldA != null && (oldMask = oldA.length - 1) >= 0 &&
                    (t = top) - (b = base) > 0) {
                    int mask = size - 1;
                    do { // emulate poll from old array, push to new array遍历从旧数组中取出放到新数组中
                        ForkJoinTask<?> x;
                        int oldj = ((b & oldMask) << ASHIFT) + ABASE;
                        int j    = ((b &    mask) << ASHIFT) + ABASE;
                        x = (ForkJoinTask<?>)U.getObjectVolatile(oldA, oldj);//从旧数组中取出
                        if (x != null &&
                            U.compareAndSwapObject(oldA, oldj, x, null))//将旧数组取出的位置的对象置为null
                            U.putObjectVolatile(a, j, x);//放入新数组
                    } while (++b != t);
                }
                return a;
            }
        }
    }

　　任务的消费

　　任务的消费的执行链路是ForkJoinTask.doExec() -> RecursiveTask.exec()/RecursiveAction.exec() -> 覆盖重写的compute()

doExec：任务的执行入口

final int doExec() {
        int s; boolean completed;
        if ((s = status) >= 0) {
            try {
                completed = exec();//消费任务
            } catch (Throwable rex) {
                return setExceptionalCompletion(rex);
            }
            if (completed)
                s = setCompletion(NORMAL);//任务执行完设置状态为NORMAL，并唤醒其他等待任务
        }
        return s;
    }
    protected abstract boolean exec();
    private int setCompletion(int completion) {
        for (int s;;) {
            if ((s = status) < 0)
                return s;
            if (U.compareAndSwapInt(this, STATUS, s, s | completion)) {//任务状态修改为NORMAL
                if ((s >>> 16) != 0)//状态不是SMASK
                    synchronized (this) { notifyAll(); }//唤醒其他等待任务
                return completion;
            }
        }
    }
    /** The run status of this task 任务的运行状态*/
    volatile int status; // accessed directly by pool and workers由ForkJoinPool池或ForkJoinWorkerThread控制
    static final int DONE_MASK   = 0xf0000000;  // mask out non-completion bits
    static final int NORMAL      = 0xf0000000;  // must be negative
    static final int CANCELLED   = 0xc0000000;  // must be < NORMAL
    static final int EXCEPTIONAL = 0x80000000;  // must be < CANCELLED
    static final int SIGNAL      = 0x00010000;  // must be >= 1 << 16
    static final int SMASK       = 0x0000ffff;  // short bits for tags

　　任务真正执行处理逻辑

　　任务提交到ForkJoinPool，最终真正的是由继承Thread的ForkJoinWorkerThread的run方法来执行消费任务的，ForkJoinWorkerThread处理哪个任务是由join来出队的；

ForkJoinTask.join()

    public final V join() {
        int s;
        if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
            reportException(s);
        return getRawResult();//得到返回结果
    }
    private int doJoin() {
        int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;
        /**
         * (s = status) < 0 判断任务是否已经完成，完成直接返回s
         * 任务未完成：
         *          1）线程是ForkJoinWorkerThread，tryUnpush任务出队然后消费任务doExec
         *              1.1）出队或消费失败，执行awaitJoin进行自旋，如果任务状态是完成就退出，否则继续尝试出队，直到任务完成或超时为止；
         *          2）如果线程不是ForkJoinWorkerThread，执行externalAwaitDone进行出队消费
         */
        return (s = status) < 0 ? s :
            ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?
            (w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).
            tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s :
            wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :
            externalAwaitDone();
    }
    private void reportException(int s) {
        if (s == CANCELLED)//取消
            throw new CancellationException();
        if (s == EXCEPTIONAL)//异常
            rethrow(getThrowableException());
    }

awaitJoin：

    public class ForkJoinPool{
        final int awaitJoin(WorkQueue w, ForkJoinTask<?> task, long deadline) {
            int s = 0;
            if (task != null && w != null) {
                ForkJoinTask<?> prevJoin = w.currentJoin;
                U.putOrderedObject(w, QCURRENTJOIN, task);
                CountedCompleter<?> cc = (task instanceof CountedCompleter) ?
                    (CountedCompleter<?>)task : null;
                for (;;) {
                    if ((s = task.status) < 0)//任务完成退出
                        break;
                    if (cc != null)//当前任务即将完成，检查是否还有其他的等待任务，如果有
                        //运行当前队列的其他任务，若当前的队列中没有任务了，则窃取其他队列的任务并运行
                        helpComplete(w, cc, 0);
                    //当前队列没有任务了，或遍历当前队列有没有任务，如果有且在top端取出来运行，或在队列中间使用EmptyTask替代原位置取出来运行，如果没有，执行helpStealer
                    else if (w.base == w.top || w.tryRemoveAndExec(task))
                        helpStealer(w, task);//窃取其他队列的任务
                    if ((s = task.status) < 0)
                        break;
                    long ms, ns;
                    if (deadline == 0L)
                        ms = 0L;
                    else if ((ns = deadline - System.nanoTime()) <= 0L)//超时退出
                        break;
                    else if ((ms = TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(ns)) <= 0L)
                        ms = 1L;
                    if (tryCompensate(w)) {//当前队列阻塞了
                        task.internalWait(ms);//进行等待
                        U.getAndAddLong(this, CTL, AC_UNIT);
                    }
                }
                U.putOrderedObject(w, QCURRENTJOIN, prevJoin);
            }
            return s;
        }
    }

externalAwaitDone：

    private int externalAwaitDone() {
        /**
        *   当前任务是CountedCompleter
        *   1）是则执行ForkJoinPool.common.externalHelpComplete()
        *   2）否则执行ForkJoinPool.common.tryExternalUnpush(this)进行任务出队
        *       2.1）出队成功，进行doExec()消费，否则进行阻塞等待
        */
        int s = ((this instanceof CountedCompleter) ? // try helping
                 ForkJoinPool.common.externalHelpComplete(
                     (CountedCompleter<?>)this, 0) :
                 ForkJoinPool.common.tryExternalUnpush(this) ? doExec() : 0);
        if (s >= 0 && (s = status) >= 0) {//任务未完成
            boolean interrupted = false;
            do {
                if (U.compareAndSwapInt(this, STATUS, s, s | SIGNAL)) {//任务状态标记为SIGNAL
                    synchronized (this) {
                        if (status >= 0) {
                            try {
                                wait(0L);//阻塞等待
                            } catch (InterruptedException ie) {//有中断异常
                                interrupted = true;//设置中断标识为true
                            }
                        }
                        else
                            notifyAll();//任务完成唤醒其他任务
                    }
                }
            } while ((s = status) >= 0);
            if (interrupted)
                Thread.currentThread().interrupt();//当前线程进行中断
        }
        return s;
    }
    final int externalHelpComplete(CountedCompleter<?> task, int maxTasks) {
        WorkQueue[] ws; int n;
        int r = ThreadLocalRandom.getProbe();
        //没有任务直接结束，有任务则执行helpComplete
        //helpComplete：运行随机选取的队列的任务，若选取的队列中没有任务了，则窃取其他队列的任务并运行
        return ((ws = workQueues) == null || (n = ws.length) == 0) ? 0 :
            helpComplete(ws[(n - 1) & r & SQMASK], task, maxTasks);
    }

run和工作窃取

　　任务是由workThread来窃取的，workThread是一个线程。线程的所有逻辑都是由run()方法执行：

public class ForkJoinWorkerThread extends Thread {
    public void run() {
        if (workQueue.array == null) { // only run once
            Throwable exception = null;
            try {
                onStart();//初始化状态
                pool.runWorker(workQueue);//处理任务队列
            } catch (Throwable ex) {
                exception = ex;//记录异常
            } finally {
                try {
                    onTermination(exception);
                } catch (Throwable ex) {
                    if (exception == null)
                        exception = ex;
                } finally {
                    pool.deregisterWorker(this, exception);//注销工作线程
                }
            }
        }
    }
}
    public class ForkJoinPool{
        final void runWorker(WorkQueue w) {
            w.growArray();                   // allocate queue，队列初始化
            int seed = w.hint;               // initially holds randomization hint
            int r = (seed == 0) ? 1 : seed;  // avoid 0 for xorShift
            for (ForkJoinTask<?> t;;) {//自旋
                if ((t = scan(w, r)) != null)//从队列中窃取任务成功，scan()进行任务窃取
                    w.runTask(t);//执行任务，内部方法调用了doExec()进行任务的消费
                else if (!awaitWork(w, r))//队列没有任务了则结束
                    break;
                r ^= r << 13; r ^= r >>> 17; r ^= r << 5; // xorshift
            }
        }
    }

scan：

private ForkJoinTask<?> scan(WorkQueue w, int r) {
        WorkQueue[] ws; int m;
        if ((ws = workQueues) != null && (m = ws.length - 1) > 0 && w != null) {
            int ss = w.scanState;                     // initially non-negative
            for (int origin = r & m, k = origin, oldSum = 0, checkSum = 0;;) {
                WorkQueue q; ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinTask<?> t;
                int b, n; long c;
                if ((q = ws[k]) != null) {   //随机选中了非空队列 q
                    if ((n = (b = q.base) - q.top) < 0 &&
                        (a = q.array) != null) {      // non-empty
                        long i = (((a.length - 1) & b) << ASHIFT) + ABASE;  //从尾部出队,b是尾部下标
                        if ((t = ((ForkJoinTask<?>)
                                  U.getObjectVolatile(a, i))) != null &&
                            q.base == b) {
                            if (ss >= 0) {
                                if (U.compareAndSwapObject(a, i, t, null)) { //利用cas出队
                                    q.base = b + 1;
                                    if (n < -1)       // signal others
                                        signalWork(ws, q);
                                    return t;  //出队成功，成功窃取一个任务！
                                }
                            }
                            else if (oldSum == 0 &&   // try to activate 队列没有激活，尝试激活
                                     w.scanState < 0)
                                tryRelease(c = ctl, ws[m & (int)c], AC_UNIT);
                        }
                        if (ss < 0)                   // refresh
                            ss = w.scanState;
                        r ^= r << 1; r ^= r >>> 3; r ^= r << 10;
                        origin = k = r & m;           // move and rescan
                        oldSum = checkSum = 0;
                        continue;
                    }
                    checkSum += b;
                }
　　     //k = k + 1表示取下一个队列 如果（k + 1） & m == origin表示已经遍历完所有队列了
                if ((k = (k + 1) & m) == origin) {    // continue until stable 
                    if ((ss >= 0 || (ss == (ss = w.scanState))) &&
                        oldSum == (oldSum = checkSum)) {
                        if (ss < 0 || w.qlock < 0)    // already inactive
                            break;
                        int ns = ss | INACTIVE;       // try to inactivate
                        long nc = ((SP_MASK & ns) |
                                   (UC_MASK & ((c = ctl) - AC_UNIT)));
                        w.stackPred = (int)c;         // hold prev stack top
                        U.putInt(w, QSCANSTATE, ns);
                        if (U.compareAndSwapLong(this, CTL, c, nc))
                            ss = ns;
                        else
                            w.scanState = ss;         // back out
                    }
                    checkSum = 0;
                }
            }
        }
        return null;
    }

ForkJoinPool.runTask：

        volatile int scanState;    // versioned, <0: inactive; odd:scanning，版本标记，小于0暂停，奇数进行扫描其他任务
        static final int SCANNING     = 1;             // false when running tasks，有任务执行是false
        /**
         * Executes the given task and any remaining local tasks.
         * 执行给定的任务和任何剩余的本地任务
         */
        final void runTask(ForkJoinTask<?> task) {
            if (task != null) {
                scanState &= ~SCANNING; // mark as busy，暂停扫描，当前有任务执行
                (currentSteal = task).doExec();//执行窃取的任务
                U.putOrderedObject(this, QCURRENTSTEAL, null); // release for GC，窃取的任务执行完置为null
                execLocalTasks();//执行本地的任务，即自己workQueue的任务，调用doExec执行到workQueue空为止
                ForkJoinWorkerThread thread = owner;
                if (++nsteals < 0)      // collect on overflow，窃取计数溢出
                    transferStealCount(pool);//重置窃取计数
                scanState |= SCANNING;//继续扫描队列
                if (thread != null)
                    thread.afterTopLevelExec();
            }
        }
        static final class InnocuousForkJoinWorkerThread extends ForkJoinWorkerThread {
                @Override // to erase ThreadLocals，清除threadLocals
                void afterTopLevelExec() {
                    eraseThreadLocals();
                }
                /**
                 * Erases ThreadLocals by nulling out Thread maps.
                 */
                final void eraseThreadLocals() {
                    U.putObject(this, THREADLOCALS, null);//threadLocals置为null
                    U.putObject(this, INHERITABLETHREADLOCALS, null);//inheritablethreadlocals置为null
                }
        }

四.总结

　　对于fork/join来说，在使用时还是存在下面的一些问题的：

在使用JVM的时候我们要考虑OOM的问题，如果我们的任务处理时间非常耗时，并且处理的数据非常大的时候，会造成OOM；
ForkJoinPool在生产环境中使用遇到的一个问题
ForkJoin是通过多线程的方式进行处理任务，那么我们不得不考虑是否应该使用ForkJoin。因为当数据量不是特别大的时候，我们没有必要使用ForkJoin。因为多线程会涉及到上下文的切换，所以数据量不大的时候使用串行比使用多线程快；
- 项目中进行本地测试发现，业务层Service进行excel表数据(数据量几百)的复杂处理，进行单线程for循环统计消耗时间，然后与使用fork/join进行处理统计消耗时间，发现fork/join的消耗时间是单线程for的2倍；

posted @ 2020-05-11 18:11 码猿手阅读(1123) 评论(2) 编辑收藏举报

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码猿手

多线程高并发编程(8) -- Fork/Join源码分析

一.概念

二.用法

三.分析

ForkJoinPool

Fork()和Join()

提交任务：

sumbit的第一次提交：ForkJoinPool.submit(ForkJoinTask<T> task) -> externalPush(task) -> externalSubmit(task)

fork任务切分的提交：ForkJoinTask.fork() -> ForkJoinWorkerThread.workQueue.push(task)/ForkJoinPool.common.externalPush(task) -> ForkJoinPool.push(task)/externalPush(task)

任务的消费

doExec：任务的执行入口

任务真正执行处理逻辑

ForkJoinTask.join()

run和工作窃取

四.总结

公告

　　ForkJoinPool

　　Fork()和Join()

　　提交任务：

　　任务的消费

　　任务真正执行处理逻辑