☕【Java技术指南】「并发编程专题」Fork/Join框架基本使用和原理探究(原理篇)

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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。

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。

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

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


ForkJoinTask是能够在ForkJoinPool中执行的任务抽象类,父类是Future,具体实现类有很多,这里主要关注RecursiveAction和RecursiveTask。

  • RecursiveAction是没有返回结果的任务

  • RecursiveTask是需要返回结果的任务

只需要实现其compute()方法,在compute()中做最小任务控制,任务分解(fork)和结果合并(join)。

ForkJoinWorkerThread

ForkJoinPool中执行的默认线程是ForkJoinWorkerThread,由默认工厂产生,可以自己重写要实现的工作线程。同时会将ForkJoinPool引用放在每个工作线程中,供工作窃取时使用。

  • 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

ForkJoinPool有四个构造函数,其中参数最全的那个构造函数如下所示: ```java public ForkJoinPool(int parallelism, ForkJoinWorkerThreadFactory factory, UncaughtExceptionHandler handler, boolean asyncMode) ````

  • 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。

当asyncMode设置为true的时候,队列采用先进先出方式工作;反之则是采用后进先出的方式工作,该值默认为false

......
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。

java 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

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

先看ForkJoinPool的创建过程,这个比较简单,创建了一个ForkJoinPool对象,带有默认ForkJoinWorkerThreadFactory,并行数跟机器核数一样,同步模式。

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)

externalSubmit主要完成3个小步骤工作,每个步骤都使用了锁的机制来处理并发事件,既有对runState使用ForkJoinPool的全局锁,也有对WorkQueue使用局部锁。

signalWork

signalWork方法的签名是:void signalWork(WorkQueue[] ws, WorkQueue q)。ws为ForkJoinPool中的workQueues,q为externalSubmit方法中新建的用于存放ForkJoinTask的WorkQueue.

  • 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。

java 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

重写compute方法一般需要遵循这个规则来写

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; }

```java public final ForkJoinTask 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; } ````

ForkJoinPool.WorkQueue#push方法会将当前子任务存放到array中,并调用ForkJoinPool#signalWork添加线程或等待其他线程去窃取任务执行。过程又回到前面讲到的signalWork流程。

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

来看left.join() + right.join(),在将left和right的Task放置在当前工作线程的workQueue之后,执行join()方法,join()方法最终会在ForkJoinPool.WorkQueue#tryRemoveAndExec中将刚放入的left取出,将对应workQueue中array的left任务置为空,然后执行left任务。然后执行到left的compute方法。对于right任务也是一样,继续子任务的fork和join工作,如此循环往复。

java 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

相比其他线程池实现,这个是ForkJoin框架中最大的亮点。当空闲线程在自己的WorkQueue没有任务可做的时候,会去遍历其他的WorkQueue,并进行任务窃取和执行,提高程序响应和性能。

取2的n次幂作为长度的实现

java //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; }

这里的p其实就是设置的并行线程数,在为ForkJoinPool创建WorkQueue[]数组时,会对传入的p进行一系列位运算,最终得到一个大于等于2p的2的n次幂的数组长度

内存屏障

java //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; }

这里在对单个WorkQueue的array进行push任务操作时,先后使用了putOrderedObject和putOrderedInt,确保程序执行的先后顺序,同时这种直接操作内存地址的方式也会更加高效。

高并发:细粒度WorkQueue的锁

java //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; } }

这里对单个WorkQueue的array进行push任务操作时,使用了qlock的CAS细粒度锁,让并发只落在一个WOrkQueue中,而不是整个pool中,极大提高了程序的并发性能,类似于ConcurrentHashMap。

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