Fork-Join 原理深入分析（二）
本文是将 Fork-Join 复杂且较为庞大的框架分成5个小点来分析 Fork-Join 框架的实现原理，一个个点地理解透 Fork-Join 的核心原理。
1. Frok-Join 框架的核心类的结构分析
Fork-Join 框架有三个核心类：ForkJoinPool，ForkJoinWorkerThread，ForkJoinTask。下面将分析这三个类的数据结构，初步了解三个类的核心成员。
ForkJoinPool
//继承了 AbstractExecutorService 类
public class ForkJoinPool extends AbstractExecutorService{
//任务队列数组，存储了所有任务队列，包括 内部队列 和 外部队列
volatile WorkQueue[] workQueues; // main registry
//一个静态常量，ForkJoinPool 提供的内部公用的线程池
static final ForkJoinPool common;
//默认的线程工厂类
public static final ForkJoinWorkerThreadFactory defaultForkJoinWorkerThreadFactory;
}
ForkJoinWorkerThread
//继承了 Thread 类
public class ForkJoinWorkerThread extends Thread {
//线程工作的线程池，即此线程所属的线程池
final ForkJoinPool pool;
// 线程的内部队列
final ForkJoinPool.WorkQueue workQueue;
//.....
}
2. ForkJoinPool 中线程的创建
2.1 默认的线程工厂类
ForkJoinPool 中的线程是由默认的线程工厂类 defaultForkJoinWorkerThreadFactory 创建的
//默认的工厂类
public static final ForkJoinWorkerThreadFactory defaultForkJoinWorkerThreadFactory;
defaultForkJoinWorkerThreadFactory =
new DefaultForkJoinWorkerThreadFactory();
defaultForkJoinWorkerThreadFactory 创建线程的方法 newThread()，其实就是传入当前的线程池，直接创建。
/**
* Default ForkJoinWorkerThreadFactory implementation; creates a
* new ForkJoinWorkerThread.
*/
static final class DefaultForkJoinWorkerThreadFactory
implements ForkJoinWorkerThreadFactory {
public final ForkJoinWorkerThread newThread(ForkJoinPool pool) {
return new ForkJoinWorkerThread(pool);
}
}
2.2 ForkJoinWorkerThread 的构造方法
protected ForkJoinWorkerThread(ForkJoinPool pool) {
// Use a placeholder until a useful name can be set in registerWorker
super("aForkJoinWorkerThread");
//线程工作的线程池，即创建这个线程的线程池
this.pool = pool;
//注册线程到线程池中，并返回此线程的内部任务队列
this.workQueue = pool.registerWorker(this);
}
创建一个工作线程，最后一步还要注册到其所属的线程池中，看下面源码，注册的过程可以分为两步：
- 创建一个新的任务队列
- 为此任务队列分配一个线程池的索引，将任务队列存储在线程数组 workQueues 的此索引位置，并返回这个任务队列，作为线程的内部任务队列。线程注册成功。
final WorkQueue registerWorker(ForkJoinWorkerThread wt) {
UncaughtExceptionHandler handler;
wt.setDaemon(true); // configure thread
if ((handler = ueh) != null)
wt.setUncaughtExceptionHandler(handler);
//创建一个任务队列
WorkQueue w = new WorkQueue(this, wt);
int i = 0; //分配一个线程池的索引
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;
//计算 索引
i = ((s << 1) | 1) & m; // odd-numbered indices
if (ws[i] != null) { //如果索引冲突
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) {
//扩容：以原来的数组的长度的两倍来创建一个新的数组，再复制旧数组的内衣
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
//刚创建的任务队列加入到线程池的 任务队列数组中
ws[i] = w;
}
} finally {
unlockRunState(rs, rs & ~RSLOCK);
}
wt.setName(workerNamePrefix.concat(Integer.toString(i >>> 1)));
return w;
}
对应注册线程，ForkJoinPool 也提供了一个取消线程注册的方法 deregisterWorker()，在线程被销毁的时候调用，此处就不说了。
3. ForkJoinTask的fork()、join()方法
在上一篇文章中，我们在实现 分治编程时，主要就是调用 ForkJoinTask 的 fork() 和 join() 方法。fork() 方法用于提交子任务，而 join() 方法则用于等待子任务的完成。而这个过程中，将涉及到 “工作窃取算法”。
3.1 fork( ) 方法提交任务
先来看一下 fork() 方法的源码
public final ForkJoinTask<V> fork() {
Thread t;
//判断是否是一个 工作线程
if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
//加入到内部队列中
((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
else//由 common 线程池来执行任务
ForkJoinPool.common.externalPush(this);
return this;
}
源码中，fork()方法先判断当前线程（调用fork()来提交任务的线程）是不是一个 ForkJoinWorkerThread 的工作线程，如果是，则将任务加入到内部队列中，否则，由 ForkJoinPool 提供的内部公用的线程池 common 线程池 来执行这个任务。
//ForkJoinPool 提供的内部公用的线程池
static final ForkJoinPool common;
顺便说一下，根据上面的说法，意味着我们可以在普通线程池中直接调用 fork() 方法来提交任务到一个默认提供的线程池中。这将非常方便。假如，你要在程序中处理大任务，需要分治编程，但你仅仅只处理一次，以后就不会用到，而且任务不算太大，不需要设置特定的参数，那么你肯定不想为此创建一个线程池，这时默认的提供的线程池将会很有用。
下面是我基于上一篇文章例子改造的，CountTask 类在我上一篇文章中找到
public class Test_34 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
// 创建一个计算任务，计算 由1加到12
CountTask countTask2 = new CountTask(1, 12);
//直接在main线程中调用 fork 来提交任务,
countTask2.fork();
//没有创建线程池，使用commonPool线程池
System.out.println(countTask2.get());
}
}
运行结果：
任务过大，切割的任务： 1加到 12的和 执行此任务的线程：ForkJoinPool.commonPool-worker-1
任务过大，切割的任务： 1加到 6的和 执行此任务的线程：ForkJoinPool.commonPool-worker-2
任务过大，切割的任务： 7加到 12的和 执行此任务的线程：ForkJoinPool.commonPool-worker-3
执行计算任务，计算 1到 3的和 ，结果是：6 执行此任务的线程：ForkJoinPool.commonPool-worker-2
执行计算任务，计算 4到 6的和 ，结果是：15 执行此任务的线程：ForkJoinPool.commonPool-worker-1
执行计算任务，计算 7到 9的和 ，结果是：24 执行此任务的线程：ForkJoinPool.commonPool-worker-3
执行计算任务，计算 10到 12的和 ，结果是：33 执行此任务的线程：ForkJoinPool.commonPool-worker-1
78
注意执行任务的线程名称：commonPool表示执行任务的线程是公用的ForkJoinPooL线程池中的线程，上面的例子中，并没有创建一个新的ForKJoinPool线程池
3.2 join( ) 等待任务的完成
public final V join() {
int s;
if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
reportException(s);
return getRawResult();//直接返回结果
}
重点在 dojoin() 方法，下面追踪下去
private int doJoin() {
int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;
return
//如果完成，直接返回s
(s = status) < 0 ? s :
//没有完成，判断是不是池中的 ForkJoinWorkerThread 工作线程
((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?
//如果是池中线程，执行这里
(w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).
tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s :
wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :
//如果不是池中的线程池，则执行这里
externalAwaitDone();
}
仔细看上面的注释。当 dojoin( )方法发现任务没有完成且当前线程是池中线程时，执行了 tryUnpush( )方法。tryUnpush()方法尝试去执行此任务：如果要join的任务正好在当前任务队列的顶端，那么pop出这个任务，然后调用 doExec() 让当前线程去执行这个任务。
final boolean tryUnpush(ForkJoinTask<?> t) {
ForkJoinTask<?>[] a; int s;
if ((a = array) != null && (s = top) != base &&
U.compareAndSwapObject
(a, (((a.length - 1) & --s) << ASHIFT) + ABASE, t, null)) {
U.putOrderedInt(this, QTOP, s);
return true;
}
return false;
}
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;
}
如果任务不是处于队列的顶端，那么就会执行 awaitJoin( ) 方法。
/**
* 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)//如果任务完成了，跳出死循环
break;
if (cc != null)//当前任务是CountedCompleter类型，则尝试从任务队列中获取当前任务的派生子任务来执行；
helpComplete(w, cc, 0);
else if (w.base == w.top || w.tryRemoveAndExec(task))//如果当前线程的内部队列为空，或者成功完成了任务，帮助某个线程完成任务。
helpStealer(w, task);
if ((s = task.status) < 0)//任务完成，跳出死循环
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;
}
重点说一下helpStealer。helpStealer的原则是你帮助我执行任务,我也帮你执行任务。
- 遍历奇数下标,如果发现队列对象currentSteal放置的刚好是自己要找的任务,则说明自己的任务被该队列A的owner线程偷来执行
- 如果队列A队列中有任务，则从队尾(base)取出执行；
- 如果发现队列A队列为空，则根据它正在join的任务,在拓扑找到相关的队列B去偷取任务执行。
在执行的过程中要注意，我们应该完整的把任务完成
还有剩下的几个比较核心的部分源码就不再此处分析，提供两个比较棒的博文：（因为我还有一些疑惑没解决，以后再补充）
最后，有兴趣的还可以看一下Doug Lea 的写的Fork-Join 框架的文章
原文：A Java Fork/Join Framework
中文译文：Fork/Join 框架-设计与实现
参考文献：
