Java多线程进阶（43）—— J.U.C之executors框架：Fork/Join框架实现

码炫课堂-码哥

于 2024-02-26 09:50:22 发布

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分类专栏： java并发文章标签： java java并发

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/smart_an/article/details/136291991

本文深入分析Fork/Join框架，回顾其核心组件，详细介绍任务调度流程，包括任务提交、创建工作线程、任务执行和结果获取。还对各环节进行源码分析，如任务提交的不同情况、工作线程创建逻辑等。最后总结使用该框架需根据实际划分子任务大小，并给出理解框架的方法。

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作者简介：大家好，我是smart哥，前中兴通讯、美团架构师，现某互联网公司CTO

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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 ForkJoinPool 的execute/submit/invoke方法提交的任务，或者非工作线程（ ForkJoinWorkerThread ）直接调用 ForkJoinTask 的fork/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 ForkJoinTask 的join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 ForkJoinPool 的submit(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