一.概念

  Fork/Join就是將一個大任務分解(fork)成許多個獨立的小任務,然後多執行緒並行去處理這些小任務,每個小任務處理完得到結果再進行合併(join)得到最終的結果。

  流程:任務繼承RecursiveTask,重寫compute方法,使用ForkJoinPool的submit提交任務,任務在某個執行緒中執行,工作任務中的compute方法的程式碼開始對任務進行分析,如果符合條件就進行任務拆分,拆分成多個子任務,每個子任務進行資料的計算或操作,得到結果返回給上一層任務開啟執行緒進行合併,最終通過get獲取整體處理結果。【只能將任務1個切分為兩個,不能切分為3個或其他數量】

  • ForkJoinTask:代表fork/join裡面的任務型別,一般用它的兩個子類RecursiveTask(任務有返回值)和RecursiveAction(任務沒有返回值),任務的處理邏輯包括任務的切分都是在重寫compute方法裡面進行處理。只有ForkJoinTask任務可以被拆分執行和合並執行。【可檢視上篇Future原始碼分析的類圖結構】【ForkJoinTask使用了模板模式進行設計,將ForkJoinTask的執行相關程式碼進行隱藏,通過提供抽象類(即子類RecursiveTask、RecursiveAction)暴露使用者的實際業務處理。】
    • RecursiveTask:在進行exec之後會使用一個result的變數進行接受返回的結果;
      public abstract class RecursiveTask<V> extends ForkJoinTask<V> {
          V result;
          protected abstract V compute();
      
          public final V getRawResult() {
              return result;
          }
      
          protected final void setRawResult(V value) {
              result = value;
          }
          protected final boolean exec() {
              result = compute();
              return true;
          }
      
      }
    • RecursiveAction:在進行exec之後沒有返回結果;
      public abstract class RecursiveAction extends ForkJoinTask<Void> {
         
          protected abstract void compute();
      
          public final Void getRawResult() { return null; }
      
          protected final void setRawResult(Void mustBeNull) { }
      
          protected final boolean exec() {
              compute();
              return true;
          }
      
      } 
  • ForkJoinPool:fork/join框架的管理者,最原始的任務都要交給它來處理。它負責控制整個fork/join有多少個工作執行緒,工作執行緒的建立、機會都是由它來控制。它還負責workQueue佇列的建立和分配,每當建立一個工作執行緒,它負責分配對應的workQueue,然後它把接到的活都交給工作執行緒去處理。是整個fork/join的容器。
    • ForkJoinPool.WorkQueue:雙端佇列,負責儲存接收的任務;
  • ForkJoinWorkerThread:fork/join裡面真正幹活的”工人“,它繼承了Thread,所以本質是一個執行緒。它有一個ForkJoinPool.WorkQueue的佇列存放著它要乾的活,接活之前它要向ForkJoinPool註冊(registerWorker),拿到相應的workQueue,然後就從workQueue裡面拿任務出來處理。它是依附於ForkJoinPool而存活,如果ForkJoinPool銷燬了,它也會跟著結束。【每一個ForkJoinWorkerThread執行緒都具有一個獨立的任務等待佇列workQueue。】
    • 當使用ForkJoinPool進行submit任務提交時,建立1個workQueue將任務放進去,然後進行fork任務切分,如果切分後的任務放的進去之前的workQueue就放進去,不行就隨機選取workQueue放進去,如果還放不了就建立一個新的workQueue放進去;
public class ForkJoinWorkerThread extends Thread {
    final ForkJoinPool pool;
    final ForkJoinPool.WorkQueue workQueue;
    protected ForkJoinWorkerThread(ForkJoinPool pool) {
        super("aForkJoinWorkerThread");
        this.pool = pool;
        this.workQueue = pool.registerWorker(this);
    }
}

二.用法

  以前1+2+3+...+100這樣的處理可以用for迴圈處理,現在使用fork/join來處理:從下面結果可以看到,大任務被不斷的拆分成小任務,然後新增到工作執行緒的佇列中,每個小任務都會被工作執行緒從佇列中取出進行執行,然後每個小任務的結果的合併也由工作執行緒執行,然後不斷的彙總成最終結果。【task通過ForkJoinPool來執行,分割的子任務新增到當前工作執行緒的佇列中,進入佇列的頭部,當一個工作執行緒中沒有任務時,會從其他工作執行緒的佇列尾部獲取一個任務。(工作竊取:當前工作執行緒對應的佇列中沒有任務了,從其他工作執行緒對應的佇列中取出任務進行操作,然後將操作結果返還給對應佇列的執行緒。)】

public class MyFrokJoinTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private int begin;
    private int end;

    public MyFrokJoinTask(int begin, int end) {
        this.begin = begin;
        this.end = end;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        ForkJoinTask<Integer> result = pool.submit(new MyFrokJoinTask(1, 100));//提交任務
        System.out.println("計算的值:"+result.get());//得到最終的結果

    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
        if (end - begin <= 2) {
            for (int i = begin; i <= end; i++) {
                sum += i;
                System.out.println("i:"+i);
            }
        } else {
            MyFrokJoinTask d1 = new MyFrokJoinTask(begin, (begin + end) / 2);
            MyFrokJoinTask d2 = new MyFrokJoinTask((begin + end) / 2+1, end);
            d1.fork();//任務拆分
            d2.fork();//任務拆分
            Integer a = d1.join();//每個任務的結果
            Integer b = d2.join();//每個任務的結果
            sum = a + b;//彙總任務結果
            System.out.println("sum:" + sum + ",a:" + a + ",b:" + b);
        }
        System.out.println("name:"+Thread.currentThread().getName());
        return sum;
    }
}
//=========結果============
i:1
i:2
name:ForkJoinPool-1-worker-1
i:3
i:4
name:ForkJoinPool-1-worker-1
sum:10,a:3,b:7
name:ForkJoinPool-1-worker-1
i:5
i:6
i:7
name:ForkJoinPool-1-worker-1
sum:28,a:10,b:18
name:ForkJoinPool-1-worker-1
...............
...............
sum:91,a:28,b:63
sum:99,a:45,b:54
name:ForkJoinPool-1-worker-3
name:ForkJoinPool-1-worker-1
i:23
i:24
i:25
name:ForkJoinPool-1-worker-2
sum:135,a:63,b:72
name:ForkJoinPool-1-worker-2
sum:234,a:99,b:135
name:ForkJoinPool-1-worker-3
sum:325,a:91,b:234
name:ForkJoinPool-1-worker-1
sum:1275,a:325,b:950
name:ForkJoinPool-1-worker-1
sum:5050,a:1275,b:3775
name:ForkJoinPool-1-worker-1
計算的值:5050

三.分析

  ForkJoinPool

ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
//Runtime.getRuntime().availableProcessors()當前作業系統可以使用的CPU核心數量
public ForkJoinPool() {
    this(Math.min(MAX_CAP, Runtime.getRuntime().availableProcessors()),
         defaultForkJoinWorkerThreadFactory, null, false);
}
//this呼叫到下面這段程式碼
public ForkJoinPool(int parallelism,
                    ForkJoinWorkerThreadFactory factory,
                    UncaughtExceptionHandler handler,
                    boolean asyncMode) {
    this(checkParallelism(parallelism), //並行度
            checkFactory(factory), //工作執行緒建立工廠
            handler, //異常處理handler
            asyncMode ? FIFO_QUEUE : LIFO_QUEUE, //任務隊列出隊模式 非同步:先進先出,同步:後進先出
            "ForkJoinPool-" + nextPoolId() + "-worker-");
    checkPermission();
}
//上面的this最終呼叫到下面這段程式碼
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);
}
  • parallelism:可並行數量,fork/join框架將依據這個並行數量的設定,決定框架內並行執行的執行緒數量。並行的每一個任務都會有一個執行緒進行處理;
  • factory:當fork/join建立一個新的執行緒時,同樣會用到執行緒建立工廠。它實現了ForkJoinWorkerThreadFactory介面,使用預設的的介面實現類DefaultForkJoinWorkerThreadFactory來實現newThread方法建立一個新的工作執行緒;
    public static interface ForkJoinWorkerThreadFactory {
            /**
             * Returns a new worker thread operating in the given pool.
             */
            public ForkJoinWorkerThread newThread(ForkJoinPool pool);
        }
    
        static final class DefaultForkJoinWorkerThreadFactory
            implements ForkJoinWorkerThreadFactory {
            public final ForkJoinWorkerThread newThread(ForkJoinPool pool) {
                return new ForkJoinWorkerThread(pool);
            }
        }
  • handler:異常捕獲處理器。當執行的任務出現異常,並從任務中被丟擲時,就會被handler捕獲;
  • asyncMode:fork/join為每一個獨立的工作執行緒準備了對應的待執行任務佇列,這個任務佇列是使用陣列進行組合的雙向佇列。即可以使用先進先出的工作模式,也可以使用後進先出的工作模式;

   Fork()和Join()

  fork/join框架中提供的fork()和join()是最重要的兩個方法,它們和parallelism(”可並行任務數量“)配合工作,可以導致拆分的子任務T1.1、T1.2甚至TX在fork/join中不同的執行效果(上面1+2....+100的每次執行的子任務都是不同的)。即TX子任務或等待其他已存在的執行緒執行關聯的子任務(sum操作),或在執行TX的執行緒中”遞迴“執行其他任務(將1-50進行拆分後的子任務遞迴執行),或啟動一個新的執行緒執行子任務(執行1-50另一邊拆分的任務,即50-100的子任務)。

  fork()用於將新建立的子任務放入當前執行緒的workQueue佇列中,fork/join框架將根據當前正在併發執行ForkJoinTask任務的ForkJoinWorkerThread執行緒狀態,決定是讓這個任務在佇列中等待,還是建立一個新的ForkJoinWorkedThread執行緒執行它,又或者是喚起其他正在等待任務的ForkJoinWorkerThread執行緒執行它。

  join()用於讓當前執行緒阻塞,直到對應的子任務完成執行並返回執行結果。或者,如果這個子任務存在於當前執行緒的任務等待佇列workQueue中,則取出這個子任務進行”遞迴“執行,其目的是儘快得到當前子任務的執行結果,然後繼續執行。

  提交任務:

  1.  sumbit的第一次提交:ForkJoinPool.submit(ForkJoinTask<T> task) -> externalPush(task) -> externalSubmit(task)

    1. submit:

      public <T> ForkJoinTask<T> submit(ForkJoinTask<T> task) {
              if (task == null)
                  throw new NullPointerException();
              externalPush(task);
              return task;
          }
      
          public <T> ForkJoinTask<T> submit(Callable<T> task) {
              ForkJoinTask<T> job = new ForkJoinTask.AdaptedCallable<T>(task);
              externalPush(job);
              return job;
          }
      
          public <T> ForkJoinTask<T> submit(Runnable task, T result) {
              ForkJoinTask<T> job = new ForkJoinTask.AdaptedRunnable<T>(task, result);
              externalPush(job);
              return job;
          }
      
          public ForkJoinTask<?> submit(Runnable task) {
              if (task == null)
                  throw new NullPointerException();
              ForkJoinTask<?> job;
              if (task instanceof ForkJoinTask<?>) // avoid re-wrap
                  job = (ForkJoinTask<?>) task;
              else
                  job = new ForkJoinTask.AdaptedRunnableAction(task);
              externalPush(job);
              return job;
          }
    2. externalPush:將任務新增到隨機選取的佇列中或新建立的佇列中;
      final void externalPush(ForkJoinTask<?> task) {
              WorkQueue[] ws; WorkQueue q; int m;
              int r = ThreadLocalRandom.getProbe();//當前執行緒的一個隨機數
              int rs = runState;//當前容器的狀態
              //如果隨機選取的佇列還有空位置可以存放、佇列加鎖鎖定成功,任務就放入佇列中
              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);//任務加入佇列中
                      U.putOrderedInt(q, QTOP, s + 1);//挪動下次任務存放的槽的位置
                      U.putIntVolatile(q, QLOCK, 0);//佇列解鎖
                      if (n <= 1)//當前陣列元素少時,進行喚醒當前執行緒;或者當沒有活動執行緒或執行緒數較少時,新增新的執行緒
                          signalWork(ws, q);
                      return;
                  }
                  U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 1, 0);//佇列解鎖
              }
              externalSubmit(task);//升級版的externalPush
          }
      
      
          volatile int runState;               // lockable status鎖定狀態
          // runState: SHUTDOWN為負數,其他的為2的次冪
          private static final int  RSLOCK     = 1;
          private static final int  RSIGNAL    = 1 << 1;//喚醒
          private static final int  STARTED    = 1 << 2;//啟動
          private static final int  STOP       = 1 << 29;//停止
          private static final int  TERMINATED = 1 << 30;//結束
          private static final int  SHUTDOWN   = 1 << 31;//關閉
    3. externalSubmit:佇列新增任務失敗,進行升級版操作,即建立佇列陣列和建立佇列後,將任務放入新建立的佇列中;
      private void externalSubmit(ForkJoinTask<?> task) {
          int r;                                    // initialize caller's probe
          if ((r = ThreadLocalRandom.getProbe()) == 0) {
              ThreadLocalRandom.localInit();
              r = ThreadLocalRandom.getProbe();
          }
          for (;;) {//自旋
              WorkQueue[] ws; WorkQueue q; int rs, m, k;
              boolean move = false;
              /**
              *ForkJoinPool執行器停止工作了,丟擲異常
              *ForkJoinPool extends AbstractExecutorService
              *abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService
              *interface ExecutorService extends Executor
              *interface Executor執行提交的物件Runnable任務
              */
              if ((rs = runState) < 0) {
                  tryTerminate(false, false);    // help terminate
                  throw new RejectedExecutionException();
              }
              //第一次遍歷,佇列陣列未建立,進行建立
              else if ((rs & STARTED) == 0 ||     // initialize初始化
                       ((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());
                          // create workQueues array with size a power of two
                          int p = config & SMASK; // ensure at least 2 slots,config是CPU核數
                          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];//建立
                          ns = STARTED;
                      }
                  } finally {
                      unlockRunState(rs, (rs & ~RSLOCK) | ns);
                  }
              }
              //第三次遍歷,把任務放入佇列中
              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
              }
              //第二次遍歷,佇列陣列為空,建立佇列
              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
              if (move)
                  r = ThreadLocalRandom.advanceProbe(r);
          }
      }
  2. fork任務切分的提交:ForkJoinTask.fork() -> ForkJoinWorkerThread.workQueue.push(task)/ForkJoinPool.common.externalPush(task) -> ForkJoinPool.push(task)/externalPush(task)

    1. fork:
      public final ForkJoinTask<V> fork() {
              Thread t;
              if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)//當前執行緒是workerThread,任務直接放入workerThread當前的workQueue
                  ((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
              else
                  ForkJoinPool.common.externalPush(this);//將任務新增到隨機選取的佇列中或新建立的佇列中
              return this;
          }
    2.  push:

      public class ForkJoinPool extends AbstractExecutorService {
              static final class WorkQueue {
                  final void push(ForkJoinTask<?> task) {
                      ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;
                      int b = base, s = top, n;
                      if ((a = array) != null) {    // ignore if queue removed,佇列被移除忽略
                          int m = a.length - 1;     // fenced write for task visibility
                          U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);//任務加入佇列中
                          U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);//挪動下次任務存放的槽的位置
                          if ((n = s - b) <= 1) {//當前陣列元素少時,進行喚醒當前執行緒;或者當沒有活動執行緒或執行緒數較少時,新增新的執行緒
                              if ((p = pool) != null)
                                  p.signalWork(p.workQueues, this);
                          }
                          else if (n >= m)//陣列所有元素都滿了進行2倍擴容
                              growArray();
                      }
                  }
                  final ForkJoinTask<?>[] growArray() {
                      ForkJoinTask<?>[] oldA = array;
                      int size = oldA != null ? oldA.length << 1 : INITIAL_QUEUE_CAPACITY;//2倍擴容或初始化
                      if (size > MAXIMUM_QUEUE_CAPACITY)
                          throw new RejectedExecutionException("Queue capacity exceeded");
                      int oldMask, t, b;
                      ForkJoinTask<?>[] a = array = new ForkJoinTask<?>[size];
                      if (oldA != null && (oldMask = oldA.length - 1) >= 0 &&
                          (t = top) - (b = base) > 0) {
                          int mask = size - 1;
                          do { // emulate poll from old array, push to new array遍歷從舊陣列中取出放到新陣列中
                              ForkJoinTask<?> x;
                              int oldj = ((b & oldMask) << ASHIFT) + ABASE;
                              int j    = ((b &    mask) << ASHIFT) + ABASE;
                              x = (ForkJoinTask<?>)U.getObjectVolatile(oldA, oldj);//從舊陣列中取出
                              if (x != null &&
                                  U.compareAndSwapObject(oldA, oldj, x, null))//將舊陣列取出的位置的物件置為null
                                  U.putObjectVolatile(a, j, x);//放入新陣列
                          } while (++b != t);
                      }
                      return a;
                  }
              }
          }

  任務的消費

  任務的消費的執行鏈路是ForkJoinTask.doExec() -> RecursiveTask.exec()/RecursiveAction.exec() -> 覆蓋重寫的compute()

  1.  doExec:任務的執行入口

    final int doExec() {
            int s; boolean completed;
            if ((s = status) >= 0) {
                try {
                    completed = exec();//消費任務
                } catch (Throwable rex) {
                    return setExceptionalCompletion(rex);
                }
                if (completed)
                    s = setCompletion(NORMAL);//任務執行完設定狀態為NORMAL,並喚醒其他等待任務
            }
            return s;
        }
        protected abstract boolean exec();
        private int setCompletion(int completion) {
            for (int s;;) {
                if ((s = status) < 0)
                    return s;
                if (U.compareAndSwapInt(this, STATUS, s, s | completion)) {//任務狀態修改為NORMAL
                    if ((s >>> 16) != 0)//狀態不是SMASK
                        synchronized (this) { notifyAll(); }//喚醒其他等待任務
                    return completion;
                }
            }
        }
        /** The run status of this task 任務的執行狀態*/
        volatile int status; // accessed directly by pool and workers由ForkJoinPool池或ForkJoinWorkerThread控制
        static final int DONE_MASK   = 0xf0000000;  // mask out non-completion bits
        static final int NORMAL      = 0xf0000000;  // must be negative
        static final int CANCELLED   = 0xc0000000;  // must be < NORMAL
        static final int EXCEPTIONAL = 0x80000000;  // must be < CANCELLED
        static final int SIGNAL      = 0x00010000;  // must be >= 1 << 16
        static final int SMASK       = 0x0000ffff;  // short bits for tags

  任務真正執行處理邏輯

  任務提交到ForkJoinPool,最終真正的是由繼承Thread的ForkJoinWorkerThread的run方法來執行消費任務的,ForkJoinWorkerThread處理哪個任務是由join來出隊的;

    1. ForkJoinTask.join()

          public final V join() {
              int s;
              if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
                  reportException(s);
              return getRawResult();//得到返回結果
          }
          private int doJoin() {
              int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;
              /**
               * (s = status) < 0 判斷任務是否已經完成,完成直接返回s
               * 任務未完成:
               *          1)執行緒是ForkJoinWorkerThread,tryUnpush任務出隊然後消費任務doExec
               *              1.1)出隊或消費失敗,執行awaitJoin進行自旋,如果任務狀態是完成就退出,否則繼續嘗試出隊,直到任務完成或超時為止;
               *          2)如果執行緒不是ForkJoinWorkerThread,執行externalAwaitDone進行出隊消費
               */
              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();
          }
          private void reportException(int s) {
              if (s == CANCELLED)//取消
                  throw new CancellationException();
              if (s == EXCEPTIONAL)//異常
                  rethrow(getThrowableException());
          }
      1. awaitJoin:
            public class ForkJoinPool{
                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)//任務完成退出
                                break;
                            if (cc != null)//當前任務即將完成,檢查是否還有其他的等待任務,如果有
                                //運行當前佇列的其他任務,若當前的佇列中沒有任務了,則竊取其他佇列的任務並執行
                                helpComplete(w, cc, 0);
                            //當前佇列沒有任務了,或佇列只剩下最後一個任務執行完了
                            else if (w.base == w.top || w.tryRemoveAndExec(task))
                                helpStealer(w, task);//竊取其他佇列的任務
                            if ((s = task.status) < 0)
                                break;
                            long ms, ns;
                            if (deadline == 0L)
                                ms = 0L;
                            else if ((ns = deadline - System.nanoTime()) <= 0L)//超時退出
                                break;
                            else if ((ms = TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(ns)) <= 0L)
                                ms = 1L;
                            if (tryCompensate(w)) {//當前佇列阻塞了
                                task.internalWait(ms);//進行等待
                                U.getAndAddLong(this, CTL, AC_UNIT);
                            }
                        }
                        U.putOrderedObject(w, QCURRENTJOIN, prevJoin);
                    }
                    return s;
                }
            }
      2. externalAwaitDone:
            private int externalAwaitDone() {
                /**
                *   當前任務是CountedCompleter
                *   1)是則執行ForkJoinPool.common.externalHelpComplete()
                *   2)否則執行ForkJoinPool.common.tryExternalUnpush(this)進行任務出隊
                *       2.1)出隊成功,進行doExec()消費,否則進行阻塞等待
                */
                int s = ((this instanceof CountedCompleter) ? // try helping
                         ForkJoinPool.common.externalHelpComplete(
                             (CountedCompleter<?>)this, 0) :
                         ForkJoinPool.common.tryExternalUnpush(this) ? doExec() : 0);
                if (s >= 0 && (s = status) >= 0) {//任務未完成
                    boolean interrupted = false;
                    do {
                        if (U.compareAndSwapInt(this, STATUS, s, s | SIGNAL)) {//任務狀態標記為SIGNAL
                            synchronized (this) {
                                if (status >= 0) {
                                    try {
                                        wait(0L);//阻塞等待
                                    } catch (InterruptedException ie) {//有中斷異常
                                        interrupted = true;//設定中斷標識為true
                                    }
                                }
                                else
                                    notifyAll();//任務完成喚醒其他任務
                            }
                        }
                    } while ((s = status) >= 0);
                    if (interrupted)
                        Thread.currentThread().interrupt();//當前執行緒進行中斷
                }
                return s;
            }
            final int externalHelpComplete(CountedCompleter<?> task, int maxTasks) {
                WorkQueue[] ws; int n;
                int r = ThreadLocalRandom.getProbe();
                //沒有任務直接結束,有任務則執行helpComplete
                //helpComplete:執行隨機選取的佇列的任務,若選取的佇列中沒有任務了,則竊取其他佇列的任務並執行
                return ((ws = workQueues) == null || (n = ws.length) == 0) ? 0 :
                    helpComplete(ws[(n - 1) & r & SQMASK], task, maxTasks);
            } 
  1. run和工作竊取

  任務是由workThread來竊取的,workThread是一個執行緒。執行緒的所有邏輯都是由run()方法執行:

public class ForkJoinWorkerThread extends Thread {
    public void run() {
        if (workQueue.array == null) { // only run once
            Throwable exception = null;
            try {
                onStart();//初始化狀態
                pool.runWorker(workQueue);//處理任務佇列
            } catch (Throwable ex) {
                exception = ex;
            } finally {
                try {
                    onTermination(exception);
                } catch (Throwable ex) {
                    if (exception == null)
                        exception = ex;
                } finally {
                    pool.deregisterWorker(this, exception);
                }
            }
        }
    }
}
    public class ForkJoinPool{
        final void runWorker(WorkQueue w) {
            w.growArray();                   // allocate queue,佇列初始化
            int seed = w.hint;               // initially holds randomization hint
            int r = (seed == 0) ? 1 : seed;  // avoid 0 for xorShift
            for (ForkJoinTask<?> t;;) {//自旋
                if ((t = scan(w, r)) != null)//從佇列中竊取任務成功,scan()進行任務竊取
                    w.runTask(t);//執行任務,內部方法呼叫了doExec()進行任務的消費
                else if (!awaitWork(w, r))//佇列沒有任務了則結束
                    break;
                r ^= r << 13; r ^= r >>> 17; r ^= r << 5; // xorshift
            }
        }
    }
    1. 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;
                      if ((q = ws[k]) != null) {   //隨機選中了非空佇列 q
                          if ((n = (b = q.base) - q.top) < 0 &&
                              (a = q.array) != null) {      // non-empty
                              long i = (((a.length - 1) & b) << ASHIFT) + ABASE;  //從尾部出隊,b是尾部下標
                              if ((t = ((ForkJoinTask<?>)
                                        U.getObjectVolatile(a, i))) != null &&
                                  q.base == b) {
                                  if (ss >= 0) {
                                      if (U.compareAndSwapObject(a, i, t, null)) { //利用cas出隊
                                          q.base = b + 1;
                                          if (n < -1)       // signal others
                                              signalWork(ws, q);
                                          return t;  //出隊成功,成功竊取一個任務!
                                      }
                                  }
                                  else if (oldSum == 0 &&   // try to activate 佇列沒有啟用,嘗試啟用
                                           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;
                      }<br data-filtered="filtered">                //k = k + 1表示取下一個佇列 如果(k + 1) & m == origin表示 已經遍歷完所有隊列了
                      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;
          }
    2. ForkJoinPool.runTask:
      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();
                  }
              }

四.總結

  對於fork/join來說,在使用時還是存在下面的一些問題的:

  • 在使用JVM的時候我們要考慮OOM的問題,如果我們的任務處理時間非常耗時,並且處理的資料非常大的時候,會造成OOM;
  • ForkJoin是通過多執行緒的方式進行處理任務,那麼我們不得不考慮是否應該使用ForkJoin。因為當資料量不是特別大的時候,我們沒有必要使用ForkJoin。因為多執行緒會涉及到上下文的切換,所以資料量不大的時候使用序列比使用多執行緒快;
    • 專案中進行本地測試發現,業務層Service進行excel表資料(資料量幾百)的複雜處理,進行單執行緒for迴圈統計消耗時間,然後與使用fork/join進行處理統計消耗時間,發現fork/join的消耗時間是單執行緒for的2倍;