原创

Java多线程进阶(四四)—— J.U.C之executors框架:Fork/Join框架实现

一、引言

前一章——Fork/Join框架(1) 原理,我们从整体上对Fork/Join框架作了介绍。

回顾一下,Fork/Join框架的核心实现类是ForkJoinPool线程池,其它核心组件包括:

ForkJoinTask(任务)、ForkJoinWorkerThread(工作线程)、WorkQueue(任务队列)。

这一章,我们将深入F/J框架的实现细节,看看ForkJoinPool线程池究竟有何特殊之处,F/J框架的整个任务调度流程又是怎样的。

二、任务调度流程

在开始之前,先来看下下面这张图:



上图包含了F/J框架的整个任务调度流程,这里先简要介绍下,以便读者在有个印象,后续的源码分析将完全按照这张图进行。

F/J框架调度任务的流程一共可以分为四大部分:

任务提交

任务提交是整个调度流程的第一步,F/J框架所调度的任务来源有两种:

①外部提交任务

所谓外部提交任务,是指通过ForkJoinPoolexecute/submit/invoke方法提交的任务,或者非工作线程(ForkJoinWorkerThread)直接调用ForkJoinTaskfork/invoke方法提交的任务:



外部提交的任务的特点就是调用线程是非工作线程。这个过程涉及以下方法:

  • ForkJoinPool.submit
  • ForkJoinPool.invoke
  • ForkJoinPool.execute
  • ForkJoinTask.fork
  • ForkJoinTask.invoke
  • ForkJoinPool.externalPush
  • ForkJoinPool.externalSubmit

②工作线程fork任务

所谓工作线程fork任务,是指由ForkJoinPool所维护的工作线程(ForkJoinWorkerThread)从自身任务队列中获取任务(或从其它任务队列窃取),然后执行任务。

工作线程fork任务的特点就是调用线程是工作线程。这个过程涉及以下方法:

  • ForkJoinTask.doExec
  • WorkQueue.push

创建工作线程

任务提交完成后,ForkJoinPool会根据情况创建或唤醒工作线程,以便执行任务。

ForkJoinPool并不会为每个任务都创建工作线程,而是根据实际情况(构造线程池时的参数)确定是唤醒已有空闲工作线程,还是新建工作线程。这个过程还是涉及任务队列的绑定、工作线程的注销等过程:

  • ForkJoinPool.signalWork
  • ForkJoinPool.tryAddWorker
  • ForkJoinPool.createWorker
  • ForkJoinWorkerThread.registerWorker
  • ForkJoinPool.deregisterWorker

任务执行

任务入队后,由工作线程开始执行,这个过程涉及任务窃取、工作线程等待等过程:

  • ForkJoinWorkerThread.run
  • ForkJoinPool.runWorker
  • ForkJoinPool.scan
  • ForkJoinPool.runTask
  • ForkJoinTask.doExec
  • ForkJoinPool.execLocalTasks
  • ForkJoinPool.awaitWork

任务结果获取

任务结果一般通过ForkJoinTaskjoin方法获得,其主要流程如下图:



任务结果获取的核心涉及两点:

  • 互助窃取:ForkJoinPool.helpStealer
  • 算力补偿:ForkJoinPool.tryCompensate

三、源码分析

通过第二部分,大致了解了F/J框架调度任务的流程,我们来看下源码实现。

任务提交

①外部提交任务

我们通过ForkJoinPoolsubmit(ForkJoinTask<T> task)方法来看下这个过程(其它提交任务的方法内部调用几乎一样,不再赘述):

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

ForkJoinPool.submit内部调用了externalPush方法:

final void externalPush(ForkJoinTask<?> task) {
    WorkQueue[] ws;
    WorkQueue q;
    int m;
    int r = ThreadLocalRandom.getProbe();
    int rs = runState;

    // m & r & SQMASK必为偶数,所以通过externalPush方法提交的任务都添加到了偶数索引的任务队列中(没有绑定的工作线程)
    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);
            U.putOrderedInt(q, QTOP, s + 1);
            U.putIntVolatile(q, QLOCK, 0);
            if (n <= 1)                 // 队列里只有一个任务
                signalWork(ws, q);      // 创建或激活一个工作线程
            return;
        }
        U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 1, 0);
    }

    // 未命中任务队列时(WorkQueue == null 或 WorkQueue[i] == null),会进入该方法
    externalSubmit(task);
}

当我们首次创建了ForkJoinPool时,任务队列数组并没有初始化,只有当首次提交任务时,才会初始化。

externalPush方法包含两部分:

  1. 根据线程随机变量、任务队列数组信息,计算命中槽(即本次提交的任务应该添加到任务队列数组中的哪个队列),如果命中且队列中任务数<1,则创建或激活一个工作线程;
  2. 否则,调用externalSubmit初始化队列,并入队。
/**
 * 完整版本的externalPush.
 * 处理线程池提交任务时未命中队列的情况和异常情况.
 */
private void externalSubmit(ForkJoinTask<?> task) {
    int r;                                    // 线程相关的随机数
    if ((r = ThreadLocalRandom.getProbe()) == 0) {
        ThreadLocalRandom.localInit();
        r = ThreadLocalRandom.getProbe();
    }

    for (; ; ) {
        WorkQueue[] ws;
        WorkQueue q;
        int rs, m, k;
        boolean move = false;

        // CASE1: 线程池已关闭
        if ((rs = runState) < 0) {
            tryTerminate(false, false);     // help terminate
            throw new RejectedExecutionException();
        }
        // CASE2: 初始化线程池
        else if ((rs & STARTED) == 0 ||     // initialize
            ((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());

                    // 初始化工作队列数组, 数组大小必须为2的幂次
                    int p = config & SMASK;
                    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];
                    ns = STARTED;   // 线程池状态转化为STARTED
                }
            } finally {
                unlockRunState(rs, (rs & ~RSLOCK) | ns);
            }
        }
        // CASE3: 入队任务
        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
        }
        // CASE4: 创建一个任务队列
        else if (((rs = runState) & RSLOCK) == 0) {
            q = new WorkQueue(this, null);
            q.hint = r;
            q.config = k | SHARED_QUEUE;        // k为任务队列在队列数组中的索引: k == r & m & SQMASK, 在CASE3的IF判断中赋值
            q.scanState = INACTIVE;             // 任务队列状态为INACTIVE
            rs = lockRunState();
            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);
    }
}

externalSubmit方法的逻辑很清晰,一共分为4种情况:

  • CASE1:线程池已经关闭,则执行终止操作,并拒绝该任务的提交;
  • CASE2:线程池未初始化,则进行初始化,主要就是初始化任务队列数组;
  • CASE3:命中了任务队列,则将任务入队,并尝试创建/唤醒一个工作线程(Worker);
  • CASE4:未命中任务队列,则在偶数索引处创建一个任务队列

②工作线程fork任务

工作线程fork的任务其实就是子任务,ForkJoinTask.fork方法完成。

看下ForkJoinTask.fork方法,当调用线程为工作线程时,直接添加到其自身队列中:

public final ForkJoinTask<V> fork() {
    Thread t;
    if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)   // 如果调用线程为【工作线程】
        ((ForkJoinWorkerThread) t).workQueue.push(this);           // 直接添加到线程的自身队列中
    else
        ForkJoinPool.common.externalPush(this);                    // 外部(其它线程)提交的任务
    return this;
}

WorkQueue.push方法,任务存入自身队列的栈顶(top):

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);       // 任务存入栈顶(top+1)
        if ((n = s - b) <= 1) {
            if ((p = pool) != null)
                p.signalWork(p.workQueues, this);   // 唤醒或创建一个工作线程
        } else if (n >= m)
            growArray();            // 扩容
    }
}

如果当前 WorkQueue 为新建的等待队列(top - base <= 1),则调用signalWork方法为当前 WorkQueue 新建或唤醒一个工作线程;
如果 WorkQueue 中的任务数组容量过小,则调用growArray方法对其进行两倍扩容,


创建工作线程

从流程图可以看出,任务提交后,会调用signalWork方法创建或唤醒一个工作线程,该方法的核心其实就两个分支:

  1. 工作线程数不足:创建一个工作线程;
  2. 工作线程数足够:唤醒一个空闲(阻塞)的工作线程。
/**
 * 尝试创建或唤醒一个工作线程.
 *
 * @param ws 任务队列数组
 * @param q  当前操作的任务队列WorkQueue
 */
final void signalWork(WorkQueue[] ws, WorkQueue q) {
    long c;
    int sp, i;
    WorkQueue v;
    Thread p;
    while ((c = ctl) < 0L) {                       // too few active
        // CASE1: 工作线程数不足
        if ((sp = (int) c) == 0) {
            if ((c & ADD_WORKER) != 0L)
                tryAddWorker(c);                    // 增加工作线程
            break;
        }

        // CASE2: 存在空闲工作线程,则唤醒
        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;
    }
}

先来看创建工作线程的方法tryAddWorker,其实就是设置下字段值(活跃/总工作线程池数),然后调用createWorker真正创建一个工作线程:

private void tryAddWorker(long c) {
    boolean add = false;
    do {

        // 设置活跃工作线程数、总工作线程池数
        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;

            // 创建工作线程
            if (add) {
                createWorker();
                break;
            }
        }
    } while (((c = ctl) & ADD_WORKER) != 0L && (int) c == 0);
}

private boolean createWorker() {
    ForkJoinWorkerThreadFactory fac = factory;
    Throwable ex = null;
    ForkJoinWorkerThread wt = null;
    try {

        // 使用线程池工厂创建线程
        if (fac != null && (wt = fac.newThread(this)) != null) {
            wt.start();     // 启动线程
            return true;
        }
    } catch (Throwable rex) {
        ex = rex;
    }

    // 创建出现异常,则注销该工作线程
    deregisterWorker(wt, ex);
    return false;
}

如果创建过程中出现异常,则调用deregisterWorker注销线程:

final void deregisterWorker(ForkJoinWorkerThread wt, Throwable ex) {
    WorkQueue w = null;
    // 1.移除workQueue
    if (wt != null && (w = wt.workQueue) != null) {     // 获取ForkJoinWorkerThread的等待队列
        WorkQueue[] ws;                           
        int idx = w.config & SMASK;                     // 计算workQueue索引
        int rs = lockRunState();                        // 获取runState锁和当前池运行状态
        if ((ws = workQueues) != null && ws.length > idx && ws[idx] == w)
            ws[idx] = null;                             // 移除workQueue
        unlockRunState(rs, rs & ~RSLOCK);   // 解除runState锁
    }
    // 2.减少CTL数
    long c;                                       // decrement counts
    do {
    } while (!U.compareAndSwapLong
        (this, CTL, c = ctl, ((AC_MASK & (c - AC_UNIT)) |
            (TC_MASK & (c - TC_UNIT)) |
            (SP_MASK & c))));
    // 3.处理被移除workQueue内部相关参数
    if (w != null) {
        w.qlock = -1;                             // ensure set
        w.transferStealCount(this);
        w.cancelAll();                            // cancel remaining tasks
    }
    // 4.如果线程未终止,替换被移除的workQueue并唤醒内部线程
    for (; ; ) {                                    // possibly replace
        WorkQueue[] ws;
        int m, sp;
        // 尝试终止线程池
        if (tryTerminate(false, false) || w == null || w.array == null ||
            (runState & STOP) != 0 || (ws = workQueues) == null ||
            (m = ws.length - 1) < 0)              // already terminating
            break;
        // 唤醒被替换的线程,依赖于下一步
        if ((sp = (int) (c = ctl)) != 0) {         // wake up replacement
            if (tryRelease(c, ws[sp & m], AC_UNIT))
                break;
        }
        // 创建工作线程替换
        else if (ex != null && (c & ADD_WORKER) != 0L) {
            tryAddWorker(c);                      // create replacement
            break;
        } else                                      // don't need replacement
            break;
    }
    // 5.处理异常
    if (ex == null)                               // help clean on way out
        ForkJoinTask.helpExpungeStaleExceptions();
    else                                          // rethrow
        ForkJoinTask.rethrow(ex);
}

deregisterWorker方法用于工作线程运行完毕之后终止线程或处理工作线程异常,主要就是清除已关闭的工作线程或回滚创建线程之前的操作,并把传入的异常抛给 ForkJoinTask 来处理。

工作线程在构造的过程中,会保存线程池信息和与自己绑定的任务队列信息。它通过ForkJoinPool.registerWorker方法将自己注册到线程池中:

protected ForkJoinWorkerThread(ForkJoinPool pool) {
    // Use a placeholder until a useful name can be set in registerWorker
    super("aForkJoinWorkerThread");
    this.pool = pool;
    this.workQueue = pool.registerWorker(this);

}
final WorkQueue registerWorker(ForkJoinWorkerThread wt) {
    UncaughtExceptionHandler handler;
    wt.setDaemon(true);                           // configure thread
    if ((handler = ueh) != null)
        wt.setUncaughtExceptionHandler(handler);

    // 创建一个工作队列, 并于该工作线程绑定
    WorkQueue w = new WorkQueue(this, wt);
    int i = 0;                                    // 记录队列在任务队列数组中的索引, 始终为奇数
    int mode = config & MODE_MASK;
    int rs = lockRunState();
    try {
        WorkQueue[] ws;
        int n;
        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;               // 经计算后, i为奇数
            if (ws[i] != null) {                  // 槽冲突, 即WorkQueue[i]位置已经有了任务队列

                // 重新计算索引i
                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;
                    }
                }
            }

            // 设置队列状态为SCANNING
            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;
}

前文讲过,工作线程(Worker)自身的任务队列,其数组下标始终是奇数,registerWorker方法的主要作用就是在任务队列数组WorkQueue[]找到一个空的奇数位,然后在该位置创建WorkQueue

至此,线程池的任务提交工作和工作线程创建工作就全部完成了,接下来开始工作线程的执行。


任务执行

ForkJoinWorkerThread启动后,会执行它的run方法,该方法内部调用了ForkJoinPool.runWorker方法来执行任务:

public void run() {
    if (workQueue.array == null) {  // only run once
        Throwable exception = null;
        try {
            onStart();              // 钩子方法
            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);
            }
        }
    }
}

runWorker方法的核心流程如下:

  • scan:尝试获取一个任务;
  • runTask:执行取得的任务;
  • awaitWork:没有任务则阻塞。
final void runWorker(WorkQueue w) {
    w.growArray();                   // 初始化任务队列
    int seed = w.hint;               // initially holds randomization hint
    int r = (seed == 0) ? 1 : seed;  // avoid 0 for xorShift
    for (ForkJoinTask<?> t; ; ) {

        // CASE1: 尝试获取一个任务
        if ((t = scan(w, r)) != null)
            w.runTask(t);                       // 获取成功, 执行任务
        // CASE2: 获取失败, 阻塞等待任务入队
        else if (!awaitWork(w, r))              // 等待失败, 跳出该方法后, 工作线程会被注销
            break;
        r ^= r << 13;
        r ^= r >>> 17;
        r ^= r << 5; // xorshift
    }
}

注意:如果awaitWork返回false,等不到任务,则跳出runWorker的循环,回到run中执行finally,最后调用deregisterWorker注销工作线程。


任务窃取——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;

            // 根据随机数r定位一个任务队列
            if ((q = ws[k]) != null) {      // 获取workQueue
                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 &&  // 取base位置任务
                        q.base == b) {

                        // 成功获取到任务
                        if (ss >= 0) {
                            if (U.compareAndSwapObject(a, i, t, null)) {
                                q.base = b + 1;         // 更新base位
                                if (n < -1)
                                    signalWork(ws, q);  // 创建或唤醒工作线程来运行任务
                                return t;
                            }
                        } else if (oldSum == 0 &&   // try to activate
                            w.scanState < 0)
                            tryRelease(c = ctl, ws[m & (int) c], AC_UNIT);  // 唤醒栈顶工作线程
                    }

                    // base位置任务为空或base位置偏移,随机移位重新扫描
                    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
                // 运行到这里说明已经扫描了全部的 workQueues,但并未扫描到任务
                if ((ss >= 0 || (ss == (ss = w.scanState))) &&
                    oldSum == (oldSum = checkSum)) {
                    if (ss < 0 || w.qlock < 0)    // already inactive
                        break;

                    // 对当前WorkQueue进行灭活操作
                    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;
}

扫描并尝试偷取一个任务。随机选择一个WorkQueue,获取base位的 ForkJoinTask,成功取到后更新base位并返回任务;如果取到的 WorkQueue 中任务数大于1,则调用signalWork创建或唤醒其他工作线程。


阻塞等待——awaitWork

如果scan方法未扫描到任务,会调用awaitWork等待获取任务:

private boolean awaitWork(WorkQueue w, int r) {
    if (w == null || w.qlock < 0)                  // w is terminating
        return false;
    for (int pred = w.stackPred, spins = SPINS, ss; ; ) {
        if ((ss = w.scanState) >= 0)               // 正在扫描,跳出循环
            break;
        else if (spins > 0) {
            r ^= r << 6;
            r ^= r >>> 21;
            r ^= r << 7;
            if (r >= 0 && --spins == 0) {           // randomize spins
                WorkQueue v;
                WorkQueue[] ws;
                int s, j;
                AtomicLong sc;
                if (pred != 0 && (ws = workQueues) != null &&
                    (j = pred & SMASK) < ws.length &&
                    (v = ws[j]) != null &&          // see if pred parking
                    (v.parker == null || v.scanState >= 0))
                    spins = SPINS;                  // continue spinning
            }
        } else if (w.qlock < 0)                     // 当前workQueue已经终止,返回false recheck after spins
            return false;
        else if (!Thread.interrupted()) {           // 判断线程是否被中断,并清除中断状态
            long c, prevctl, parkTime, deadline;
            int ac = (int) ((c = ctl) >> AC_SHIFT) + (config & SMASK);      // 活跃线程数
            if ((ac <= 0 && tryTerminate(false, false)) ||      // 无active线程,尝试终止
                (runState & STOP) != 0)             // pool terminating
                return false;
            if (ac <= 0 && ss == (int) c) {         // is last waiter
                // 计算活跃线程数(高32位)并更新为下一个栈顶的scanState(低32位)
                prevctl = (UC_MASK & (c + AC_UNIT)) | (SP_MASK & pred);
                int t = (short) (c >>> TC_SHIFT);   // shrink excess spares
                if (t > 2 && U.compareAndSwapLong(this, CTL, c, prevctl))//总线程过量
                    return false;                   // else use timed wait
                // 计算空闲超时时间
                parkTime = IDLE_TIMEOUT * ((t >= 0) ? 1 : 1 - t);
                deadline = System.nanoTime() + parkTime - TIMEOUT_SLOP;
            } else
                prevctl = parkTime = deadline = 0L;
            Thread wt = Thread.currentThread();
            U.putObject(wt, PARKBLOCKER, this);     // emulate LockSupport
            w.parker = wt;                              // 设置parker,准备阻塞
            if (w.scanState < 0 && ctl == c)            // recheck before park
                U.park(false, parkTime);             // 阻塞指定的时间

            U.putOrderedObject(w, QPARKER, null);
            U.putObject(wt, PARKBLOCKER, null);
            if (w.scanState >= 0)                       // 正在扫描,说明等到任务,跳出循环
                break;
            if (parkTime != 0L && ctl == c &&
                deadline - System.nanoTime() <= 0L &&
                U.compareAndSwapLong(this, CTL, c, prevctl))    // 未等到任务,更新ctl,返回false
                return false;                                      // shrink pool
        }
    }
    return true;
}

任务执行——runTask

窃取到任务后,调用WorkQueue.runTask方法执行任务:

final void runTask(ForkJoinTask<?> task) {
    if (task != null) {
        scanState &= ~SCANNING;             // mark as busy
        (currentSteal = task).doExec();     // 更新currentSteal并执行任务
        U.putOrderedObject(this, QCURRENTSTEAL, null); // release for GC
        execLocalTasks();                   // 依次执行本地任务
        ForkJoinWorkerThread thread = owner;
        if (++nsteals < 0)                  // collect on overflow
            transferStealCount(pool);       // 增加偷取任务数
        scanState |= SCANNING;
        if (thread != null)
            thread.afterTopLevelExec();     // 执行钩子函数
    }
}

1.首先调用FutureTask.deExec()执行任务,其内部会调用FutureTask.exec()方法,该方法为抽象方法,由子类实现。

子类实现该方法时,一般会进行fork,导致生成子任务,并最终添加到调用线程自身地任务队列中:

final int doExec() {
    int s;
    boolean completed;
    if ((s = status) >= 0) {
        try {
            completed = exec();     // exec为抽象方法, 由子类实现
        } catch (Throwable rex) {
            return setExceptionalCompletion(rex);
        }
        if (completed)
            s = setCompletion(NORMAL);
    }
    return s;
}

2.除了执行窃取到的任务,工作线程还会执行自己队列中的任务,即WorkQueue.execLocalTasks方法:

final void execLocalTasks() {
    int b = base, m, s;
    ForkJoinTask<?>[] a = array;
    if (b - (s = top - 1) <= 0 && a != null &&
        (m = a.length - 1) >= 0) {
        if ((config & FIFO_QUEUE) == 0) {   // LIFO, 从top -> base 遍历执行任务
            for (ForkJoinTask<?> t; ; ) {
                if ((t = (ForkJoinTask<?>) U.getAndSetObject
                    (a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, null)) == null)
                    break;
                U.putOrderedInt(this, QTOP, s);
                t.doExec();
                if (base - (s = top - 1) > 0)
                    break;
            }
        } else  // FIFO,  从base -> top 遍历执行任务
            pollAndExecAll();
    }

}

构建线程池时的asyncMode参数,决定了工作线程执行自身队列中的任务的方式。如果 asyncMode == true,则以FIFO的方式执行任务;否则,以LIFO的方式执行任务。


任务结果获取

ForkJoinTask.join()可以用来获取任务的执行结果。join方法的执行逻辑如下:



public final V join() {
    int s;
    if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
        reportException(s);
    return getRawResult();
}

可以看到,内部先调用doJoin方法:

private int doJoin() {
    int s;
    Thread t;
    ForkJoinWorkerThread wt;
    ForkJoinPool.WorkQueue w;
    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();
}

doJoin方法会判断调用线程是否是工作线程:

1.如果是非工作线程调用的join,则最终调用externalAwaitDone()阻塞等待任务的完成。

2.如果是工作线程调用的join,则存在以下情况:

  • 如果需要join的任务已经完成,直接返回运行结果;
  • 如果需要join的任务刚刚好是当前线程所拥有的队列的top位置,则立即执行它。
  • 如果该任务不在top位置,则调用awaitJoin方法等待

关键看下ForkJoinPool.awaitJoin等待过程中发生了什么:

final int awaitJoin(WorkQueue w, ForkJoinTask<?> task, long deadline) {
    int s = 0;
    if (task != null && w != null) {
        ForkJoinTask<?> prevJoin = w.currentJoin;   // 获取给定Worker的join任务
        U.putOrderedObject(w, QCURRENTJOIN, task);  // 把currentJoin替换为给定任务

        // 判断是否为CountedCompleter类型的任务
        CountedCompleter<?> cc = (task instanceof CountedCompleter) ?
            (CountedCompleter<?>) task : null;
        for (; ; ) {
            if ((s = task.status) < 0)              // 已经完成|取消|异常 跳出循环
                break;

            if (cc != null)                         // CountedCompleter任务由helpComplete来完成join
                helpComplete(w, cc, 0);
            else if (w.base == w.top || w.tryRemoveAndExec(task))  //尝试执行
                helpStealer(w, task);               // 队列为空或执行失败,任务可能被偷,帮助偷取者执行该任务

            if ((s = task.status) < 0)              // 已经完成|取消|异常,跳出循环
                break;

            // 计算任务等待时间
            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)) {                         // 执行补偿操作
                task.internalWait(ms);                      // 补偿执行成功,任务等待指定时间
                U.getAndAddLong(this, CTL, AC_UNIT);     // 更新活跃线程数
            }
        }
        U.putOrderedObject(w, QCURRENTJOIN, prevJoin);      // 循环结束,替换为原来的join任务
    }
    return s;
}

ForkJoinPool.awaitJoin方法中有三个重要方法:

  • tryRemoveAndExec
  • helpStealer
  • tryCompensate

这里说下这三个方法的主要作用,不贴代码了:

tryRemoveAndExec:

当工作线程正在等待join的任务时,它会从top位开始自旋向下查找该任务:

  • 如果找到则移除并执行它;
  • 如果找不到,说明说明任务可能被偷,则调用helpStealer方法反过来帮助偷取者执行它自己的任务。

helpStealer:

  • 先定位的偷取者的任务队列;
  • 从偷取者的base索引开始,每次偷取一个任务执行。

tryCompensate:

tryCompensate主要用来补偿工作线程因为阻塞而导致的算力损失,当工作线程自身的队列不为空,且还有其它空闲工作线程时,如果自己阻塞了,则在此之前会唤醒一个工作线程。

四、总结

本章和上一章——Fork/Join框架(1) 原理,从思想、使用、实现等方面较完整地分析了Fork/Join框架,Fork/Join框架的使用需要根据实际情况划分子任务的大小。

理解F/J框架需要先从整体上了解框架调度任务的流程(参考本章开头的调度图),可以自己通过示例模拟一个任务的调度过程,然后根据实际运用过程中遇到的问题,再去调试及在相应的源码中查看实现原理。

正文到此结束
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