Java技术指南「并发编程专题」Fork/Join框架基本使用和原理探究（原理及源码篇）

Posted 2021-09-22 李浩宇Alex

ForkJoin线程池框架回顾

• ForkJoin框架其实就是一个线程池ExecutorService的实现，通过工作窃取(work-stealing)算法,获取其他线程中未完成的任务来执行。

• 可以充分利用机器的多处理器优势，利用空闲的线程去并行快速完成一个可拆分为小任务的大任务，类似于分治算法。

• ForkJoin的目标，就是利用所有可用的处理能力来提高程序的响应和性能。本文将介绍ForkJoin框架，源码剖析。

ForkJoinPool的类架构图

ForkJoinPool核心类实现

• ForkJoin框架的核心是ForkJoinPool类，基于AbstractExecutorService扩展。
• ForkJoinPool中维护了一个队列数组WorkQueue[]，每个WorkQueue维护一个ForkJoinTask数组和当前工作线程。
• ForkJoinPool实现了工作窃取(work-stealing)算法并执行ForkJoinTask。

核心属性介绍

• ADD_WORKER: 100000000000000000000000000000000000000000000000 -> 1000 0000 0000 0000,用来配合ctl在控制线程数量时使用
• ctl： 控制ForkJoinPool创建线程数量，(ctl & ADD_WORKER) != 0L 时创建线程，也就是当ctl的第16位不为0时，可以继续创建线程
• defaultForkJoinWorkerThreadFactory: 默认线程工厂，默认实现是DefaultForkJoinWorkerThreadFactory
• runState: 全局锁控制，全局运行状态
• workQueues: 工作队列数组WorkQueue[]
• config: 记录并行数量和ForkJoinPool的模式(异步或同步)

ForkJoinTask

• status: 任务的状态，对其他工作线程和pool可见，运行正常则status为负数，异常情况为正数

WorkQueue

• qlock: 并发控制，put任务时的锁控制

• array: 任务数组ForkJoinTask<?>[]

• pool: ForkJoinPool，所有线程和WorkQueue共享，用于工作窃取、任务状态和工作状态同步

• base: array数组中取任务的下标

• top: array数组中放置任务的下标

• owner: 所属线程，ForkJoin框架中，只有一个WorkQueue是没有owner的，其他的均有具体线程owner。

• WorkQueue 内部就是ForkJoinTask

---

• RecursiveAction是没有返回结果的任务

• RecursiveTask是需要返回结果的任务

ForkJoinWorkerThread

• pool: ForkJoinPool，所有线程和WorkQueue共享，用于工作窃取、任务状态和工作状态同步

• workQueue: 当前线程的任务队列，与WorkQueue的owner呼应

---

• ForkJoinPool作为最核心的组件，维护了所有的任务队列WorkQueues，workQueues维护着所有线程池的工作线程，工作窃取算法就是在这里进行的。

• 每一个WorkQueue对象中使用pool保留对ForkJoinPool的引用，用来获取其WorkQueues来窃取其他工作线程的任务来执行。

• 同时WorkQueue对象中的owner是ForkJoinWorkerThread工作线程，绑定ForkJoinWorkerThread和WorkQueue的一对一关系，每个工作线程会优先完成自己队列的任务，当自己队列中的任务为空时，才会通过工作窃取算法从其他任务队列中获取任务。

• WorkQueue中的ForkJoinTask<?>[] array，是每一个具体的任务，插入array中的第一个任务是最大的任务。

源码分析

ForkJoinPool构造函数

• parallelism：可并行级别，Fork/Join框架将依据这个并行级别的设定，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，但是千万不要将这个属性理解成Fork/Join框架中最多存在的线程数量，也不要将这个属性和ThreadPoolExecutor线程池中的corePoolSize、maximumPoolSize属性进行比较，因为ForkJoinPool的组织结构和工作方式与后者完全不一样。

• factory：当Fork/Join框架创建一个新的线程时，同样会用到线程创建工厂。只不过这个线程工厂不再需要实现ThreadFactory接口，而是需要实现ForkJoinWorkerThreadFactory接口。

  • 后者是一个函数式接口，只需要实现一个名叫newThread的方法。

  • 在Fork/Join框架中有一个默认的ForkJoinWorkerThreadFactory接口实现：DefaultForkJoinWorkerThreadFactory。

• handler：异常捕获处理器。当执行的任务中出现异常，并从任务中被抛出时，就会被handler捕获。

• asyncMode：这个参数也非常重要，从字面意思来看是指的异步模式，它并不是说Fork/Join框架是采用同步模式还是采用异步模式工作。
  • Fork/Join框架中为每一个独立工作的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。即是说存在于队列中的待执行任务，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。

......
asyncMode ? FIFO_QUEUE : LIFO_QUEUE,
......

• ForkJoinPool还有另外两个构造函数，一个构造函数只带有parallelism参数，既是可以设定Fork/Join框架的最大并行任务数量；
  • 另一个构造函数则不带有任何参数，对于最大并行任务数量也只是一个默认值——当前操作系统可以使用的CPU内核数量（Runtime.getRuntime().availableProcessors()）。
  • 实际上ForkJoinPool还有一个私有的、原生构造函数，之上提到的三个构造函数都是对这个私有的、原生构造函数的调用。

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);
    }

使用案例

ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors());

提交任务

forkJoinPool.invoke(new CountRecursiveTask(1, 100));会先执行到ForkJoinPool#externalPush中，此时forkJoinPool.workQueues并没有完成初始化工作，所以执行到ForkJoinPool#externalSubmit。

externalSubmit

这里是一个for无限循环实现，跳出逻辑全部在内部控制，主要结合runState来控制。

1. 建ForkJoinPool的WorkQueue[]变量workQueues，长度为大于等于2倍并行数量的且是2的n次幂的数。这里对传入的并行数量使用了位运算，来计算出workQueues的长度。

2. 创建一个WorkQueue变量q，q.base=q.top=4096，q的owner为null，无工作线程，放入workQueues数组中

3. 创建q.array对象，长度8192，将ForkJoinTask也就是代码案例中的CountRecursiveTask放入q.array,pool为传入的ForkJoinPool,并将q.top加1,完成后q.base=4096,q.top=4097。然后执行ForkJoinPool#signalWork方法。(base下标表示用来取数据的，top下标表示用来放数据的，当base小于top时，说明有数据可以取)

signalWork

• signalWork中会根据ctl的值判断是否需要创建创建工作线程，当前暂无，因此走到tryAddWorker()，并在createWorker()来创建，使用默认工厂方法ForkJoinWorkerThread#ForkJoinWorkerThread(ForkJoinPool)来创建一个ForkJoinWorkerThread，ForkJoinPool为前面创建的pool。

• 并创建一个WorkQueue其owner为新创建的工作线程，其array为空，被命名为ForkJoinPool-1-worker-1，且将其存放在pool.workQueues数组中。

• 创建完线程之后，工作线程start()开始工作。

• 这样就创建了两个WorkQueue存放在pool.workQueues,其中一个WorkQueue保存了第一个大的ForkJoinTask，owner为null，其base=4096,top=4097；第二个WorkQueue的owner为新建的工作线程，array为空，暂时无数据，base=4096,top=4096。

ForkJoinWorkerThread#run

• 执行ForkJoinWorkerThread线程ForkJoinPool-1-worker-1，执行点来到ForkJoinWorkerThread#run，注意这里是在ForkJoinWorkerThread中，此时的workQueue.array还是空的，pool为文中唯一的一个，是各个线程会共享的。

• run方法中首先是一个判断 if (workQueue.array == null) { // only run once,这也验证了我们前面的分析，当前线程的workQueue.array是空的。每个新建的线程，拥有的workQueue.array是没有任务的。那么它要执行的任务从哪里来？

• runWorker()方法中会执行一个死循环，去scan扫描是否有任务可以执行。全文的讲到的工作窃取work-stealing算法，就在java.util.concurrent.ForkJoinPool#scan。当有了上图的模型概念时，这个方法的实现看过就会觉得其实非常简单。
  

    WorkQueue q; ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinTask<?> t;
    int b, n; long c;
    //如果pool.workQueues即ws的k下标元素不为空
    if ((q = ws[k]) != null) {
        //如果base<top且array不为空，则说明有元素。为什么还需要array不为空才说明有元素？
        //从下面可以知道由于获取元素后才会设置base=base+1,所以可能出现上一个线程拿到元素了但是没有及时更新base
        if ((n = (b = q.base) - q.top) < 0 &&
            (a = q.array) != null) {      // non-empty
            long i = (((a.length - 1) & b) << ASHIFT) + ABASE;
            //这里使用getObjectVolatile去获取当前WorkQueue的元素
            //volatile是保证线程可见性的，也就是上一个线程可能已经拿掉了，可能已经将这个任务置为空了。
            if ((t = ((ForkJoinTask<?>)
                      U.getObjectVolatile(a, i))) != null &&
                q.base == b) {
                if (ss >= 0) {
                        //拿到任务之后，将array中的任务用CAS的方式置为null，并将base加1
                    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;
    }

CountRecursiveTask#compute

if(任务足够小){
  直接执行任务;
  如果有结果,return结果;
}else{
  拆分为2个子任务;
  分别执行子任务的fork方法;
  执行子任务的join方法;
  如果有结果，return合并结果;
}

public final ForkJoinTask<V> fork() {
        Thread t;
        //如果是工作线程，则往自己线程中的workQuerue中添加子任务;否则走首次添加逻辑
        if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
            ((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
        else
            ForkJoinPool.common.externalPush(this);
        return this;
    }

ForkJoinTask#externalAwaitDone

• 主线程在把任务放置在第一个WorkQueue的array之后，启动工作线程就退出了。如果使用的是异步的方式，则使用Future的方式来获取结果，即提交的ForkJoinTask，通过isDone(),get()方法判断和得到结果。

• 异步的方式跟同步方式在防止任务的过程是一样的，只是主线程可以任意时刻再通过ForkJoinTask去跟踪结果。本案例用的是同步的写法，因此主线程最后在ForkJoinTask#externalAwaitDone等待任务完成。

• 这里主线程会执行Object#wait(long)，使用的是Object类中的wait，在当前ForkJoinTask等待，直到被notify。而notify这个动作会在ForkJoinTask#setCompletion中进行，这里使用的是notifyAll，因为需要通知的有主线程和工作线程，他们都共同享用这个对象，需要被唤起。

ForkJoinTask#join

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

当工作线程执行结束后，会执行getRawResult，拿到结果。

Work-Steal算法

取2的n次幂作为长度的实现

    //代码位于java.util.concurrent.ForkJoinPool#externalSubmit
    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;
        workQueues = new WorkQueue[n];
        ns = STARTED;
    }

内存屏障

    //代码位于java.util.concurrent.ForkJoinPool#externalSubmit
    if ((a != null && a.length > s + 1 - q.base) ||
        (a = q.growArray()) != null) {
        int j = (((a.length - 1) & s) << ASHIFT) + ABASE;
        //通过Unsafe进行内存值的设置，高效，且屏蔽了处理器和Java编译器的指令乱序问题
        U.putOrderedObject(a, j, task);
        U.putOrderedInt(q, QTOP, s + 1);
        submitted = true;
    }

    //代码位于java.util.concurrent.ForkJoinPool#externalSubmit
    //如果qlock为0，说明当前没有其他线程操作改WorkQueue
    //尝试CAS操作，修改qlock为1，对这个WorkQueue进行加锁
    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 {
              //finally将qlock置为0，进行锁的释放，其他线程可以使用
            U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 1, 0);
        }
        if (submitted) {
            signalWork(ws, q);
            return;
        }
    }