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    談談fork/join實現(xiàn)原理

    共 108936字,需瀏覽 218分鐘

     ·

    2021-07-08 07:20

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      作者 |  等你歸去來

    來源 |  urlify.cn/nEFRra

    害,又是一個炒冷飯的時間。fork/join是在jdk1.7中出現(xiàn)的一個并發(fā)工作包,其特點是可以將一個大的任務拆分成多個子任務進行并行處理,最后將子任務結果合并成最后的計算結果,并進行輸出。從而達到多線程分發(fā)任務,達到高效處理的目的。

    1. 關于fork/join的一點想法

      以上說法,也許大家沒什么感覺。但換個說法可能會更讓人體會深切??傮w上,相當于一個map階段數(shù)據(jù)拆分,一個reduce階段數(shù)據(jù)收集。即一個mapreduce過程,是不是有大數(shù)據(jù)的思想在了。只不過這fork/join的拆分難度可見性更大(自己手動拆,mapreduce由shuffle組件自動拆),另外fork/join是在一個機器上運行,而大數(shù)據(jù)的框架,則是在分布式系統(tǒng)中運行的。

      從這個點說來,好像研究fork/join就顯得有些意義了。

      只是,按照fork/join的語義解釋,是將任務拆分,然后處理,然后再合并結果。如果沒有了合并結果這一步,那么,它就等同于線程池了,這也就是有人說它與線程池有啥差別的疑惑所在了。再說有需要收集結果的這一語義,其實我們也是可以通過線程池去執(zhí)行任務,然后再用get()得到結果,然后在外部做合并,也是一樣咯。

    2. fork/join的幾個核心類

      fork/join被稱作執(zhí)行框架,自然不會是一個單一組件問題了。

      首先,它會有一個 ForkJoinPool, 相當于線程池, 所有的任務都要通過它來進行提交,然后由其進行統(tǒng)一調度。

      然后,每個任務都會有許多相同的代碼,只有業(yè)務實現(xiàn)是不一樣的,所以它會有一個基類:RecursiveTask . 實現(xiàn)上還有一個無返回結果的類:RecursiveAction, 只是沒有返回結果時,往往又可能可以使用普通線程池執(zhí)行替代了。(沒有絕對)

      ForkJoinWorkerThreadFactory, 是fork/join框架的線程工廠類,原本含義與普通的線程工廠類一致,只是它的入?yún)⒉辉偈且粋€個 Runnable 任務,而是 ForkJoinPool, 因為它們所處的上下文是不一樣的。

      ForkJoinWorkerThread, 執(zhí)行fork/join的具體線程,它可能在執(zhí)行過程中,再去主動添加task。而它自身擁有一個隊列,它的主要任務就是獲取隊列任務,然后執(zhí)行。但當其自身的隊列完成時,它可以通過work-steal算法竊取其他線程的隊列任務。這也是fork/join的核心所在。

      sun.misc.Unsafe, 之所以要提到這個jdk類,是因為在fork/join框架中,對于隊列的管理,不是通過普通的list或數(shù)組來實現(xiàn),而是通過 U.putOrderedObject(a, j, task); 來存放,雖然效果與數(shù)組是一樣的,但它會更簡單地實現(xiàn)線程安全的操作。只是,其中有許多的位操作,值得學習的同時,也顯得有些麻煩了。

    3. fork/join使用樣例

      我們通過對一個數(shù)組的排序過程,使用fork/join來實現(xiàn)看看如何使用這框架。尤其對于大數(shù)組的排序,顯得還是有用的。這種大數(shù)組的排序,一般都會使用快速排序或者歸并排序來處理。此處使用fork/join框架來處理,也是暗合了歸并排序的道理了。

    import java.util.Arrays;
    import java.util.Random;
    import java.util.concurrent.ExecutionException;
    import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
    import java.util.concurrent.ForkJoinTask;
    import java.util.concurrent.RecursiveTask;

    /**
     * Fork/join框架測試
     */
    public class TestForkJoinFramework {

        public static void main(String[] args) {
            long beginTime = System.currentTimeMillis();
            ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
            int mockArrLen = 1000_0000;
            int[] arr = new int[mockArrLen];
            Random r = new Random();
            for (int index = 1; index <= mockArrLen; index++) {
                arr[index - 1] = r.nextInt(1000_0000);
            }
            FJOrderTask task = new FJOrderTask(arr);
            ForkJoinTask<int[]> taskResult = pool.submit(task);
            try {
                // 等待結果完成
                taskResult.get();
            } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            long endTime = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("耗時=" + (endTime - beginTime));
        }

        /**
         * 單個排序的子任務
         */
        private static class FJOrderTask extends RecursiveTask<int[]> {

            /**
             * 當前排序的數(shù)組值
             */
            private final int[] source;

            public FJOrderTask(int[] source) {
                this.source = source;
            }

            /**
             * 真正的業(yè)務計算邏輯
             *
             * @see java.util.concurrent.RecursiveTask#compute()
             */
            @Override
            protected int[] compute() {
                int sourceLen = source.length;
                // 如果條件成立,說明任務中要進行排序的集合還不夠小
                System.out.println(Thread.currentThread());
                if (sourceLen > 2) {
                    int midIndex = sourceLen / 2;
                    // 拆分成兩個子任務, 0 -> mid - 1, mid -> len
                    FJOrderTask task1 = new FJOrderTask(
                            Arrays.copyOf(source, midIndex));
                    task1.fork();
                    FJOrderTask task2 = new FJOrderTask(
                            Arrays.copyOfRange(source, midIndex, sourceLen));
                    task2.fork();
                    // 將兩個有序的數(shù)組,合并成一個有序的數(shù)組
                    int[] result1 = task1.join();
                    int[] result2 = task2.join();
                    return insertMerge(result1, result2);
                }
                // 否則說明集合中只有一個或者兩個元素,可以進行這兩個元素的比較排序了
                else {
                    // 如果條件成立,說明數(shù)組中只有一個元素,或者是數(shù)組中的元素都已經排列好位置了
                    if (sourceLen == 1
                            || source[0] <= source[1]) {
                        return source;
                    } else {
                        int[] orderedArr = new int[sourceLen];
                        orderedArr[0] = source[1];
                        orderedArr[1] = source[0];
                        return orderedArr;
                    }
                }
            }

            /**
             * 使用插入排序,將兩個有序數(shù)組合并起來
             *
             * @param arr1 有序數(shù)組1
             * @param arr2 有序數(shù)組2
             * @return 合并后的有序數(shù)組
             */
            private int[] insertMerge(int[] arr1, int[] arr2) {
                int[] result = new int[arr1.length + arr2.length];
                int arr1Len = arr1.length;
                int arr2Len = arr2.length;
                int destLen = result.length;
                // 簡單插入排序
                for (int i = 0, array1Index = 0, array2Index = 0; i < destLen; i++) {
                    int value1 = array1Index >= arr1Len
                            ? Integer.MAX_VALUE : arr1[array1Index];
                    int value2 = array2Index >= arr2Len
                            ? Integer.MAX_VALUE : arr2[array2Index];
                    if (value1 < value2) {
                        array1Index++;
                        result[i] = value1;
                    }
                    else {
                        array2Index++;
                        result[i] = value2;
                    }
                }
                return result;
            }

        }
    }

      思路很簡單,就是將數(shù)組一直拆分,直到最后一個或者兩個時,從最下面來開始排序,然后依次往上回溯,使用插入排序歸并結果集,最終返回排好序的值。如果除去任務拆分的過程,則時間復雜度還是非常好的 O(nlog(n)), 只是這任務拆分的過程,需要大量的空間復雜度,也不見得是什么好事。且不管它。

     

    4. fork/join框架的實現(xiàn)原理


      我們以上面的demo為出發(fā)點,觀察fork/join的工作過程,不知道100%,也八九不離十了。上面主要有幾個動作,一ForkJoinPool實例化,submit一個Task, get()等待最終結果完成。這三個看得見的動作好辦,只是其核心也許還在背后。

     

    4.1. ForkJoinPool構造器

      每個要調用框架的應用,必先初始化一個pool實例,這是自然。如上使用無參構造器,實際上是使用了框架的各種默認值而已, 這種默認值往往是能夠滿足大部分的場景的,從而體現(xiàn)其易用性。

    // java.util.concurrent.ForkJoinPool#ForkJoinPool()
        /**
         * Creates a {@code ForkJoinPool} with parallelism equal to {@link
         * java.lang.Runtime#availableProcessors}, using the {@linkplain
         * #defaultForkJoinWorkerThreadFactory default thread factory},
         * no UncaughtExceptionHandler, and non-async LIFO processing mode.
         *
         * @throws SecurityException if a security manager exists and
         *         the caller is not permitted to modify threads
         *         because it does not hold {@link
         *         java.lang.RuntimePermission}{@code ("modifyThread")}
         */
        public ForkJoinPool() {
            // 并行度默認是cpu的核數(shù)
            this(Math.min(MAX_CAP, Runtime.getRuntime().availableProcessors()),
                 defaultForkJoinWorkerThreadFactory, null, false);
        }
        /**
         * Creates a {@code ForkJoinPool} with the given parameters.
         *
         * @param parallelism the parallelism level. For default value,
         * use {@link java.lang.Runtime#availableProcessors}.
         * @param factory the factory for creating new threads. For default value,
         * use {@link #defaultForkJoinWorkerThreadFactory}.
         * @param handler the handler for internal worker threads that
         * terminate due to unrecoverable errors encountered while executing
         * tasks. For default value, use {@code null}.
         * @param asyncMode if true,
         * establishes local first-in-first-out scheduling mode for forked
         * tasks that are never joined. This mode may be more appropriate
         * than default locally stack-based mode in applications in which
         * worker threads only process event-style asynchronous tasks.
         * For default value, use {@code false}.
         * @throws IllegalArgumentException if parallelism less than or
         *         equal to zero, or greater than implementation limit
         * @throws NullPointerException if the factory is null
         * @throws SecurityException if a security manager exists and
         *         the caller is not permitted to modify threads
         *         because it does not hold {@link
         *         java.lang.RuntimePermission}{@code ("modifyThread")}
         */
        public ForkJoinPool(int parallelism,
                            ForkJoinWorkerThreadFactory factory,
                            UncaughtExceptionHandler handler,
                            boolean asyncMode) {
            this(checkParallelism(parallelism),
                 checkFactory(factory),
                 handler,
                 // FIFO_QUEUE = 1 << 16, LIFO_QUEUE = 0
                 asyncMode ? FIFO_QUEUE : LIFO_QUEUE,
                 "ForkJoinPool-" + nextPoolId() + "-worker-");
            checkPermission();
        }
        /**
         * Creates a {@code ForkJoinPool} with the given parameters, without
         * any security checks or parameter validation.  Invoked directly by
         * makeCommonPool.
         */
        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);
        }

      構造器自然沒啥好說的,就是設置幾個并行度,初始化線程工廠,標識等等。為下文做準備。

     

    4.2. 任務submit過程


      上面的例子中,submit只有一次調用,而實際應用中則不一定。但即使如此,一次submit, 其實背后也是有許多的動作的。因為這一個task里,又會生出許多task來。

    // java.util.concurrent.ForkJoinPool#submit
        /**
         * Submits a ForkJoinTask for execution.
         *
         * @param task the task to submit
         * @param <T> the type of the task's result
         * @return the task
         * @throws NullPointerException if the task is null
         * @throws RejectedExecutionException if the task cannot be
         *         scheduled for execution
         */
        public <T> ForkJoinTask<T> submit(ForkJoinTask<T> task) {
            if (task == null)
                throw new NullPointerException();
            // submit主要是向pool中加入任務隊列
            externalPush(task);
            return task;
        }
        /**
         * Tries to add the given task to a submission queue at
         * submitter'
    s current queue. Only the (vastly) most common path
         * is directly handled in this method, while screening for need
         * for externalSubmit.
         *
         * @param task the task. Caller must ensure non-null.
         */
        final void externalPush(ForkJoinTask<?> task) {
            WorkQueue[] ws; WorkQueue q; int m;
            int r = ThreadLocalRandom.getProbe();
            int rs = runState;
            // 如果線程不是第一次進入,且獲得鎖,則直接放隊列即可
            // 否則走普通加入隊列邏輯
            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;
                    // 通過 putOrderedObject 添加任務到隊列中
                    U.putOrderedObject(a, j, task);
                    U.putOrderedInt(q, QTOP, s + 1);
                    U.putIntVolatile(q, QLOCK, 0);
                    if (n <= 1)
                        signalWork(ws, q);
                    return;
                }
                U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 1, 0);
            }
            // 初始化時的submit或者通用 submit
            externalSubmit(task);
        }
        
        /**
         * Full version of externalPush, handling uncommon cases, as well
         * as performing secondary initialization upon the first
         * submission of the first task to the pool.  It also detects
         * first submission by an external thread and creates a new shared
         * queue if the one at index if empty or contended.
         *
         * @param task the task. Caller must ensure non-null.
         */
        private void externalSubmit(ForkJoinTask<?> task) {
            int r;                                    // initialize caller's probe
            if ((r = ThreadLocalRandom.getProbe()) == 0) {
                ThreadLocalRandom.localInit();
                r = ThreadLocalRandom.getProbe();
            }
            for (;;) {
                WorkQueue[] ws; WorkQueue q; int rs, m, k;
                boolean move = false;
                // 停止運行
                if ((rs = runState) < 0) {
                    tryTerminate(false, false);     // help terminate
                    throw new RejectedExecutionException();
                }
                // 未被初始化,先執(zhí)行初始化
                else if ((rs & STARTED) == 0 ||     // initialize
                         ((ws = workQueues) == null || (m = ws.length - 1) < 0)) {
                    int ns = 0;
                    // 上鎖初始化
                    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
                            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;
                            // 隊列數(shù)量初始化
                            workQueues = new WorkQueue[n];
                            ns = STARTED;
                        }
                    } finally {
                        unlockRunState(rs, (rs & ~RSLOCK) | ns);
                    }
                }
                // 當前線程已添加過隊列
                else if ((q = ws[k = r & m & SQMASK]) != null) {
                    // 上鎖添加到隊列中
                    if (q.qlock == 0 && U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 0, 1)) {
                        ForkJoinTask<?>[] a = q.array;
                        // 取出棧頂指針,向其中放入任務
                        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);
                        }
                        // 如果隊列添加成功,則喚醒一個 worker, 返回
                        // 否則進入下一次嘗試添加過程
                        if (submitted) {
                            signalWork(ws, q);
                            return;
                        }
                    }
                    move = true;                   // move on failure
                }
                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
                // 如有必要,為當前線程生成新的標識
                if (move)
                    r = ThreadLocalRandom.advanceProbe(r);
            }
        }

      由上可知,submit主要初始化隊列以及向隊列中添加任務,并在喚醒worker處理任務。但實際上,worker Thread 我們還沒有看到被激活,只是看到有隊workQueue的初始化。那么,worker又是在哪進行初始化的呢?只可能是在 signal 的時候了。

     

    4.3. worker的初始化

      worker是真正執(zhí)行任務的線程,前面光看到添加隊列,以及喚醒worker了。只是這時還未見worker被初始化,實際上它是在被喚醒的邏輯中進行初始化的。

    // java.util.concurrent.ForkJoinPool#signalWork
        /**
         * Tries to create or activate a worker if too few are active.
         *
         * @param ws the worker array to use to find signallees
         * @param q a WorkQueue --if non-null, don't retry if now empty
         */
        final void signalWork(WorkQueue[] ws, WorkQueue q) {
            long c; int sp, i; WorkQueue v; Thread p;
            while ((c = ctl) < 0L) {                       // too few active,一個標識,分兩段使用,低位為0代表worker還可以添加
                if ((sp = (int)c) == 0) {                  // no idle workers
                    if ((c & ADD_WORKER) != 0L)            // too few workers
                        tryAddWorker(c);
                    break;
                }
                if (ws == null)                            // unstarted/terminated
                    break;
                if (ws.length <= (i = sp & SMASK))         // terminated
                    break;
                if ((v = ws[i]) == null)                   // terminating
                    break;
                int vs = (sp + SS_SEQ) & ~INACTIVE;        // next scanState
                int d = sp - v.scanState;                  // screen CAS
                long nc = (UC_MASK & (c + AC_UNIT)) | (SP_MASK & v.stackPred);
                if (d == 0 && U.compareAndSwapLong(this, CTL, c, nc)) {
                    v.scanState = vs;                      // activate v
                    if ((p = v.parker) != null)
                        U.unpark(p);
                    break;
                }
                if (q != null && q.base == q.top)          // no more work
                    break;
            }
        }

        /**
         * Tries to add one worker, incrementing ctl counts before doing
         * so, relying on createWorker to back out on failure.
         *
         * @param c incoming ctl value, with total count negative and no
         * idle workers.  On CAS failure, c is refreshed and retried if
         * this holds (otherwise, a new worker is not needed).
         */
        private void tryAddWorker(long c) {
            boolean add = false;
            do {
                long nc = ((AC_MASK & (c + AC_UNIT)) |
                           (TC_MASK & (c + TC_UNIT)));
                if (ctl == c) {
                    int rs, stop;                 // check if terminating
                    if ((stop = (rs = lockRunState()) & STOP) == 0)
                        add = U.compareAndSwapLong(this, CTL, c, nc);
                    unlockRunState(rs, rs & ~RSLOCK);
                    if (stop != 0)
                        break;
                    // 添加標識成功,再創(chuàng)建worker
                    if (add) {
                        createWorker();
                        break;
                    }
                }
            } while (((c = ctl) & ADD_WORKER) != 0L && (int)c == 0);
        }

        /**
         * Tries to construct and start one worker. Assumes that total
         * count has already been incremented as a reservation.  Invokes
         * deregisterWorker on any failure.
         *
         * @return true if successful
         */
        private boolean createWorker() {
            ForkJoinWorkerThreadFactory fac = factory;
            Throwable ex = null;
            ForkJoinWorkerThread wt = null;
            try {
                // 調用線程工廠創(chuàng)建新的worker, 并立即啟動worker
                if (fac != null && (wt = fac.newThread(this)) != null) {
                    wt.start();
                    return true;
                }
            } catch (Throwable rex) {
                ex = rex;
            }
            // 創(chuàng)建失敗,處理異常
            deregisterWorker(wt, ex);
            return false;
        }
        /**
         * Default ForkJoinWorkerThreadFactory implementation; creates a
         * new ForkJoinWorkerThread.
         */
        static final class DefaultForkJoinWorkerThreadFactory
            implements ForkJoinWorkerThreadFactory {
            public final ForkJoinWorkerThread newThread(ForkJoinPool pool) {
                return new ForkJoinWorkerThread(pool);
            }
        }

      果然在signal時,創(chuàng)建worker。值得一提的,為了實現(xiàn)安全地添加worker,它會先更新成功ctl,然后再執(zhí)行真正的create操作。避免多創(chuàng)建出worker來。

     

    4.4. worker的工作原理

      前面看到worker創(chuàng)建過程,傳入了pool的實例,即當前上下文都是被worker可見的。所以,它能很好地復用當前的配置信息,而它自身是一個異步線程,在創(chuàng)建之后,立即被啟動起來了。那它后續(xù)則必然嘗試從隊列獲取任務,進行執(zhí)行了。具體如何?

    1. WorkerThread 構造方法

    // java.util.concurrent.ForkJoinWorkerThread#ForkJoinWorkerThread
        /**
         * Creates a ForkJoinWorkerThread operating in the given pool.
         *
         * @param pool the pool this thread works in
         * @throws NullPointerException if pool is null
         */
        protected ForkJoinWorkerThread(ForkJoinPool pool) {
            // Use a placeholder until a useful name can be set in registerWorker
            super("aForkJoinWorkerThread");
            this.pool = pool;
            // workQueue 臨時向 pool 中進行注冊所得
            this.workQueue = pool.registerWorker(this);
        }
        
        /**
         * Callback from ForkJoinWorkerThread constructor to establish and
         * record its WorkQueue.
         *
         * @param wt the worker thread
         * @return the worker's queue
         */
        final WorkQueue registerWorker(ForkJoinWorkerThread wt) {
            UncaughtExceptionHandler handler;
            wt.setDaemon(true);                           // configure thread
            if ((handler = ueh) != null)
                wt.setUncaughtExceptionHandler(handler);
            WorkQueue w = new WorkQueue(this, wt);
            int i = 0;                                    // assign a pool index
            int mode = config & MODE_MASK;
            int rs = lockRunState();
            try {
                WorkQueue[] ws; int n;                    // skip if no array
                if ((ws = workQueues) != null && (n = ws.length) > 0) {
                    int s = indexSeed += SEED_INCREMENT;  // unlikely to collide
                    int m = n - 1;
                    i = ((s << 1) | 1) & m;               // odd-numbered indices
                    if (ws[i] != null) {                  // collision
                        int probes = 0;                   // step by approx half n
                        int step = (n <= 4) ? 2 : ((n >>> 1) & EVENMASK) + 2;
                        while (ws[i = (i + step) & m] != null) {
                            if (++probes >= n) {
                                workQueues = ws = Arrays.copyOf(ws, n <<= 1);
                                m = n - 1;
                                probes = 0;
                            }
                        }
                    }
                    w.hint = s;                           // use as random seed
                    w.config = i | mode;
                    w.scanState = i;                      // publication fence
                    ws[i] = w;
                }
            } finally {
                unlockRunState(rs, rs & ~RSLOCK);
            }
            wt.setName(workerNamePrefix.concat(Integer.toString(i >>> 1)));
            return w;
        }

      重點則是在 pool 中注冊自身,得到一個 workQueue. 而其具體業(yè)務,則是在run方法中實現(xiàn)。

    // java.util.concurrent.ForkJoinWorkerThread#run
        /**
         * This method is required to be public, but should never be
         * called explicitly. It performs the main run loop to execute
         * {@link ForkJoinTask}s.
         */
        public void run() {
            if (workQueue.array == null) { // only run once
                Throwable exception = null;
                try {
                    onStart();
                    pool.runWorker(workQueue);
                } catch (Throwable ex) {
                    exception = ex;
                } finally {
                    try {
                        onTermination(exception);
                    } catch (Throwable ex) {
                        if (exception == null)
                            exception = ex;
                    } finally {
                        pool.deregisterWorker(this, exception);
                    }
                }
            }
        }
        // java.util.concurrent.ForkJoinPool#runWorker
        /**
         * Top-level runloop for workers, called by ForkJoinWorkerThread.run.
         */
        final void runWorker(WorkQueue w) {
            w.growArray();                   // allocate queue
            int seed = w.hint;               // initially holds randomization hint
            int r = (seed == 0) ? 1 : seed;  // avoid 0 for xorShift
            for (ForkJoinTask<?> t;;) {
                // 取任務,執(zhí)行
                if ((t = scan(w, r)) != null)
                    w.runTask(t);
                else if (!awaitWork(w, r))
                    break;
                r ^= r << 13; r ^= r >>> 17; r ^= r << 5; // xorshift
            }
        }

            /**
             * Executes the given task and any remaining local tasks.
             */
            final void runTask(ForkJoinTask<?> task) {
                if (task != null) {
                    scanState &= ~SCANNING; // mark as busy
                    (currentSteal = task).doExec();
                    U.putOrderedObject(this, QCURRENTSTEAL, null); // release for GC
                    execLocalTasks();
                    ForkJoinWorkerThread thread = owner;
                    if (++nsteals < 0)      // collect on overflow
                        transferStealCount(pool);
                    scanState |= SCANNING;
                    if (thread != null)
                        thread.afterTopLevelExec();
                }
            }
        // java.util.concurrent.ForkJoinTask#doExec
        /**
         * Primary execution method for stolen tasks. Unless done, calls
         * exec and records status if completed, but doesn't wait for
         * completion otherwise.
         *
         * @return status on exit from this method
         */
        final int doExec() {
            int s; boolean completed;
            if ((s = status) >= 0) {
                try {
                    completed = exec();
                } catch (Throwable rex) {
                    return setExceptionalCompletion(rex);
                }
                if (completed)
                    s = setCompletion(NORMAL);
            }
            return s;
        }
        // java.util.concurrent.RecursiveTask#exec
        /**
         * Implements execution conventions for RecursiveTask.
         */
        protected final boolean exec() {
            // 即調用具體業(yè)務類的 compute 方法
            result = compute();
            return true;
        }

      咱們草草看了 worker 如何運行任務。這和線程池沒多少差別,大致仍是從隊列獲取任務,然后執(zhí)行業(yè)務方法compute . 我們暫時略去了如何獲取任務,以及如何執(zhí)行work-steal了。且看下節(jié)。

     

    4.5. 任務獲取實現(xiàn)

      主要是通過scan處理。

    // java.util.concurrent.ForkJoinPool#scan
        /**
         * Scans for and tries to steal a top-level task. Scans start at a
         * random location, randomly moving on apparent contention,
         * otherwise continuing linearly until reaching two consecutive
         * empty passes over all queues with the same checksum (summing
         * each base index of each queue, that moves on each steal), at
         * which point the worker tries to inactivate and then re-scans,
         * attempting to re-activate (itself or some other worker) if
         * finding a task; otherwise returning null to await work.  Scans
         * otherwise touch as little memory as possible, to reduce
         * disruption on other scanning threads.
         *
         * @param w the worker (via its WorkQueue)
         * @param r a random seed
         * @return a task, or null if none found
         */
        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;
                    // 首次獲取時,是從自身隊列中獲取
                    if ((q = ws[k]) != null) {
                        if ((n = (b = q.base) - q.top) < 0 &&
                            (a = q.array) != null) {      // non-empty
                            long i = (((a.length - 1) & b) << ASHIFT) + ABASE;
                            if ((t = ((ForkJoinTask<?>)
                                      U.getObjectVolatile(a, i))) != null &&
                                q.base == b) {
                                if (ss >= 0) {
                                    if (U.compareAndSwapObject(a, i, t, null)) {
                                        q.base = b + 1;
                                        if (n < -1)       // signal others
                                            signalWork(ws, q);
                                        return t;
                                    }
                                }
                                else if (oldSum == 0 &&   // try to activate
                                         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;
                    }
                    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;
        }

      要安全高效地實現(xiàn)一個獲取隊列還是不易啊。

     

    4.6. task.fork 實現(xiàn)

      一般地,能用上fork一詞的場景,一般是對于當前環(huán)境的一個copy. 難道這里的fork也是這樣嗎?新開一個線程?不然又是如何找到需要處理的隊列的呢?

    // java.util.concurrent.ForkJoinTask#fork
        /**
         * Arranges to asynchronously execute this task in the pool the
         * current task is running inif applicable, or using the {@link
         * ForkJoinPool#commonPool()} if not {@link #inForkJoinPool}.  While
         * it is not necessarily enforced, it is a usage error to fork a
         * task more than once unless it has completed and been
         * reinitialized.  Subsequent modifications to the state of this
         * task or any data it operates on are not necessarily
         * consistently observable by any thread other than the one
         * executing it unless preceded by a call to {@link #join} or
         * related methods, or a call to {@link #isDone} returning {@code
         * true}.
         *
         * @return {@code this}, to simplify usage
         */
        public final ForkJoinTask<V> fork() {
            Thread t;
            // ForkJoinWorkerThread 中持有workQueue實例,可直接向其添加任務
            if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
                ((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
            else
                // 如果是外部線程,則添加到一共享pool中即可,后續(xù)將其各空閑線程處理
                ForkJoinPool.common.externalPush(this);
            return this;
        }
            // java.util.concurrent.ForkJoinPool.WorkQueue#push
            /**
             * Pushes a task. Call only by owner in unshared queues.  (The
             * shared-queue version is embedded in method externalPush.)
             *
             * @param task the task. Caller must ensure non-null.
             * @throws RejectedExecutionException if array cannot be resized
             */
            final void push(ForkJoinTask<?> task) {
                ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;
                int b = base, s = top, n;
                if ((a = array) != null) {    // ignore if queue removed
                    int m = a.length - 1;     // fenced write for task visibility
                    U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);
                    U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);
                    if ((n = s - b) <= 1) {
                        if ((p = pool) != null)
                            p.signalWork(p.workQueues, this);
                    }
                    else if (n >= m)
                        growArray();
                }
            }

    /**
     * A thread managed by a {@link ForkJoinPool}, which executes
     * {@link ForkJoinTask}s.
     * This class is subclassable solely for the sake of adding
     * functionality -- there are no overridable methods dealing with
     * scheduling or execution.  However, you can override initialization
     * and termination methods surrounding the main task processing loop.
     * If you do create such a subclass, you will also need to supply a
     * custom {@link ForkJoinPool.ForkJoinWorkerThreadFactory} to
     * {@linkplain ForkJoinPool#ForkJoinPool use it} in a {@code ForkJoinPool}.
     *
     * @since 1.7
     * @author Doug Lea
     */
    public class ForkJoinWorkerThread extends Thread {
        /*
         * ForkJoinWorkerThreads are managed by ForkJoinPools and perform
         * ForkJoinTasks. For explanation, see the internal documentation
         * of class ForkJoinPool.
         *
         * This class just maintains links to its pool and WorkQueue.  The
         * pool field is set immediately upon construction, but the
         * workQueue field is not set until a call to registerWorker
         * completes. This leads to a visibility race, that is tolerated
         * by requiring that the workQueue field is only accessed by the
         * owning thread.
         *
         * Support for (non-public) subclass InnocuousForkJoinWorkerThread
         * requires that we break quite a lot of encapsulation (via Unsafe)
         * both here and in the subclass to access and set Thread fields.
         */

        final ForkJoinPool pool;                // the pool this thread works in
        final ForkJoinPool.WorkQueue workQueue; // work-stealing mechanics
        ...
    }

      可見,fork的過程,即是向當前線程中添加當前任務而已,并沒有所謂的上下文copy過程。

     

    4.7. task.join 實現(xiàn)

      join的語義是,等待任務完成后返回。與 Thread.join()一致。只是有一個問題,即如果某個線程阻塞等待結果去了,那當前線程自然就相當于無法再被利用了。那后續(xù)的任務又何從談起呢?想來只有遞歸能夠解決這個問題了。但是遞歸往往又是在單線程中完成的,這豈不無法利用并發(fā)特性了?

      實際上,之所以被分作fork/join兩個步驟,意義就是在這。上一節(jié)我們看到,fork的過程是向隊列中添加了任務,隨后就返回了。這時,如果當前worker比較繁忙(在做任務拆分),則這些任務就會被其他worker竊取過去處理了。而其他任務在處理時,又會遇到自己的遞歸,從而將一個單線程的遞歸變?yōu)槎嗑€程的遞歸了。

      下面我們主要看一個線程的遞歸過程。join的本義只是等待當前任務完成,但是當前任務完成又要依賴于其子任務完成join, 子任務又要等待其子任務join, 因此形成遞歸。而join()返回的表象是compute()完成,所以這過程其實是伴隨著compute的運算的。

    // java.util.concurrent.ForkJoinTask#join
        /**
         * Returns the result of the computation when it {@link #isDone is
         * done}.  This method differs from {@link #get()} in that
         * abnormal completion results in {@code RuntimeException} or
         * {@code Error}, not {@code ExecutionException}, and that
         * interrupts of the calling thread do <em>not</em> cause the
         * method to abruptly return by throwing {@code
         * InterruptedException}.
         *
         * @return the computed result
         */
        public final V join() {
            int s;
            if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
                reportException(s);
            // 任務完成后,主動獲取結果
            return getRawResult();
        }
        /**
         * Throws exception, if any, associated with the given status.
         */
        private void reportException(int s) {
            if (s == CANCELLED)
                throw new CancellationException();
            if (s == EXCEPTIONAL)
                rethrow(getThrowableException());
        }
        // java.util.concurrent.RecursiveTask#getRawResult
        public final V getRawResult() {
            return result;
        }


        /**
         * Implementation for join, get, quietlyJoin. Directly handles
         * only cases of already-completed, external wait, and
         * unfork+exec.  Others are relayed to ForkJoinPool.awaitJoin.
         *
         * @return status upon completion
         */
        private int doJoin() {
            int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;
            return (s = status) < 0 ? s :
                ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?
                // 取當前任務執(zhí)行, doExec 執(zhí)行任務,awaitJoin 等待執(zhí)行完成
                (w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).
                tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s :
                wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :
                externalAwaitDone();
        }

        // java.util.concurrent.ForkJoinPool#awaitJoin
        /**
         * Helps and/or blocks until the given task is done or timeout.
         *
         * @param w caller
         * @param task the task
         * @param deadline for timed waits, if nonzero
         * @return task status on exit
         */
        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)
                        break;
                    if (cc != null)
                        helpComplete(w, cc, 0);
                    // 遞歸添加任務等待完成
                    else if (w.base == w.top || w.tryRemoveAndExec(task))
                        helpStealer(w, task);
                    if ((s = task.status) < 0)
                        break;
                    long ms, ns;
                    if (deadline == 0L)
                        ms = 0L;
                    else if ((ns = deadline - System.nanoTime()) <= 0L)
                        break;
                    else if ((ms = TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(ns)) <= 0L)
                        ms = 1L;
                    if (tryCompensate(w)) {
                        task.internalWait(ms);
                        U.getAndAddLong(this, CTL, AC_UNIT);
                    }
                }
                U.putOrderedObject(w, QCURRENTJOIN, prevJoin);
            }
            return s;
        }
            // java.util.concurrent.ForkJoinPool.WorkQueue#tryRemoveAndExec
            /**
             * If present, removes from queue and executes the given task,
             * or any other cancelled task. Used only by awaitJoin.
             *
             * @return true if queue empty and task not known to be done
             */
            final boolean tryRemoveAndExec(ForkJoinTask<?> task) {
                ForkJoinTask<?>[] a; int m, s, b, n;
                if ((a = array) != null && (m = a.length - 1) >= 0 &&
                    task != null) {
                    while ((n = (s = top) - (b = base)) > 0) {
                        for (ForkJoinTask<?> t;;) {      // traverse from s to b
                            long j = ((--s & m) << ASHIFT) + ABASE;
                            if ((t = (ForkJoinTask<?>)U.getObject(a, j)) == null)
                                return s + 1 == top;     // shorter than expected
                            else if (t == task) {
                                boolean removed = false;
                                if (s + 1 == top) {      // pop
                                    if (U.compareAndSwapObject(a, j, task, null)) {
                                        U.putOrderedInt(this, QTOP, s);
                                        removed = true;
                                    }
                                }
                                else if (base == b)      // replace with proxy
                                    removed = U.compareAndSwapObject(
                                        a, j, task, new EmptyTask());
                                // 執(zhí)行子任務
                                if (removed)
                                    task.doExec();
                                break;
                            }
                            else if (t.status < 0 && s + 1 == top) {
                                if (U.compareAndSwapObject(a, j, t, null))
                                    U.putOrderedInt(this, QTOP, s);
                                break;                  // was cancelled
                            }
                            if (--n == 0)
                                return false;
                        }
                        if (task.status < 0)
                            return false;
                    }
                }
                return true;
            }

      可見,最終fork/join還是使用遞歸完成join任務等待。差別在于其利用了多線程的優(yōu)勢,同時執(zhí)行多個任務。這有兩個好處,一是減輕了單線程的任務處理壓力,二是讓遞歸的深度也分擔到了多個點上。避免了棧早早溢出的可能。

     

      只是每個線程被分配的任務數(shù)是多少,join需要等待的結果有多少,就不太好說了。比如最上層的線程如果任務被別的線程搶走,則它就只需一直在等結果就行了。而最下面的線程,則需要承擔最深的遞歸深度,以保證程序的最終出口。其實從這個點,我們自己可以做個猜想,如果沒有做好控制,讓線程之間任意執(zhí)行任務,是否會造成死鎖呢?這恐怕是個問題。












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