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Java7中的ForkJoin并发框架初探(中)——JDK中实现简要分析

Nori
 Nori
发布于 2016/05/20 20:42
字数 2457
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根据前文描述的Doug Lea的理论基础,在JDK1.7中已经给出了Fork Join的实现。在Java SE 7的API中,多了ForkJoinTask、ForkJoinPool、ForkJoinWorkerThread、RecursiveAction、RecursiveTask这样5个类。本文就对JDK1.7中增加这5个工具类实现做简要分析。

0. JDK中ForkJoin实现概述

在JavaSE7的API和JDK1.7中,分别集成了支持ForkJoin的五个类:

  • ForkJoinPool 实现ForkJoin的线程池
  • ForkJoinWorkerThread  实现ForkJoin的线程
  • ForkJoinTask<V> 一个描述ForkJoin的抽象类
  • RecursiveAction 无返回结果的ForkJoinTask实现
  • RecursiveTask<V> 有返回结果的ForkJoinTask实现

ForkJoinPool维护了多个线程构成的数组,维护了任务提交队列,给出了多个线程之间工作窃取的实现。给出了任务类型适配,和提交任务逻辑的实现。需要和线程紧密配合。

而ForkJoinWorkerThread则继承了java.lang.Thread类,维护了线程自己的队列,同一个任务fork()操作原则上会添加到同一个线程队列中。而这个线程类需要和ForkJoinPool紧密合作,有指向对应ForkJoinPool对象的引用。

ForkJoinTask则实现了Future接口,除了对接口的实现外,主要是fork()和join()操作。注意,貌似fork()只有ForkJoinWorkerThread 中才能执行。

两个子类RecursiveAction和RecursiveTask则实现比较简单,区别就在于返回值的处理不同。

1. ForkJoinPool

ForkJoinPool是实现了 Fork Join 的线程池。看JDK源码我们知道ForkJoinPool是extends AbstractExecutorService的,也就是说间接地实现了Executor和ExecutorService接口。实际上也就意味着ForkJoinPool是继ThreadPoolExecutor后的又一个Executor(Service)的具体实现。

1.1. 构建初始化

我们先看ForkJoinPool的构造方法,一共有3个重载的实现。有一个单参数的默认实现,通常我们使用这个就足够了,这最终会以默认的参数调用3参数的构造方法。我们再来看3个参数的构造方法实现。其中:

  • int parallelism 第一个参数是并行度,这个参数简介影响着(会额外做一些运算)这个ForkJoinPool的ForkJoinWorkerThread 线程数。默认情况下,这个参数是任务运行环境的处理器个数,比如系统提供的处理器数目为4,初始化线程池会开启16个线程。
  • ForkJoinWorkerThreadFactory factory 这个是ForkJoinPool构建新线程ForkJoinWorkerThread 对象的工厂,类似于ThreadPoolExecutor中用到的ThreadFactory。
  • Thread.UncaughtExceptionHandler handler 这个前面并发的文章页提到过,是线程异常处理器,这里不多说了。

1.2. 任务提交

前面已经提到,ForkJoinPool也是Executor(Service)的实现,那么execute()和submit()这样向ThreadPoolExecutor提交任务的方法对于ForkJoinPool来说也是一样有效的。

需要说明的是,除了增加支持ForkJoinTask对象参数的重载实现外,还在Runnable和Callable参数的方法中对原始的Runnable和Callable对象做了到ForkJoinTask的适配,使用的分别是ForkJoinTask的静态内部类AdaptedRunnable和AdaptedCallable的对象。而这两个类型参数对应的方法最终都会调用ForkJoinTask参数的方法:

public <T> ForkJoinTask<T> submit(ForkJoinTask<T> task) {

    if (task == null)

        throw new NullPointerException();

    forkOrSubmit(task);

    return task;

}

我们接下来再看下任务提交中被调用到的forkOrSubmit()方法:

private <T> void forkOrSubmit(ForkJoinTask<T> task) {
    ForkJoinWorkerThread w;
    Thread t = Thread.currentThread();
    if (shutdown)
        throw new RejectedExecutionException();
    if ((t instanceof ForkJoinWorkerThread) &&
        (w = (ForkJoinWorkerThread)t).pool == this)
        w.pushTask(task);
    else
        addSubmission(task);
}

逻辑很容易理解,先判断ForkJoinPool的状态,若已停止,则抛异常返回。之后如果当前线程是ForkJoinWorkerThread类型的,则将任务追加到ForkJoinWorkerThread对象中维护的队列上,否则将新的任务放入ForkJoinPool的提交队列中,并通知线程工作。

1.3. 线程的启动和工作

前面已经强调过,ForkJoinPool和ForkJoinWorkerThread是紧密相关,耦合在一起的。Thread的start()会调用run(),而ForkJoinWorkerThread类重写了run()方法,会调用对应的线程池ForkJoinPool对象的work()方法。

我们来看一下work()方法的实现。

final void work(ForkJoinWorkerThread w) {
    boolean swept = false;                // true on empty scans
    long c;
    while (!w.terminate && (int)(c = ctl) >= 0) {
        int a;                            // active count
        if (!swept && (a = (int)(c >> AC_SHIFT)) <= 0)
            swept = scan(w, a);
        else if (tryAwaitWork(w, c))
            swept = false;
    }
}

里面主要是一个while循环体,只要当前的线程和线程池不是处于终止状态,则这个循环一直执行。执行的内容则是这样的,如果能够根据scan()方法得到任务,并执行,否则进入阻塞状态。

我们来看一下scan()方法的实现。

private boolean scan(ForkJoinWorkerThread w, int a) {
    int g = scanGuard; // mask 0 avoids useless scans if only one active
    int m = (parallelism == 1 - a && blockedCount == 0) ? 0 : g & SMASK;
    ForkJoinWorkerThread[] ws = workers;
    if (ws == null || ws.length <= m)         // staleness check
        return false;
    for (int r = w.seed, k = r, j = -(m + m); j <= m + m; ++j) {
        ForkJoinTask<?> t; ForkJoinTask<?>[] q; int b, i;
        ForkJoinWorkerThread v = ws[k & m];
        if (v != null && (b = v.queueBase) != v.queueTop &&
            (q = v.queue) != null && (i = (q.length - 1) & b) >= 0) {
            long u = (i << ASHIFT) + ABASE;
            if ((t = q[i]) != null && v.queueBase == b &&
                UNSAFE.compareAndSwapObject(q, u, t, null)) {
                int d = (v.queueBase = b + 1) - v.queueTop;
                v.stealHint = w.poolIndex;
                if (d != 0)
                    signalWork();             // propagate if nonempty
                w.execTask(t);
            }
            r ^= r << 13; r ^= r >>> 17; w.seed = r ^ (r << 5);
            return false;                     // store next seed
        }
        else if (j < 0) {                     // xorshift
            r ^= r << 13; r ^= r >>> 17; k = r ^= r << 5;
        }
        else
            ++k;
    }
    if (scanGuard != g)                       // staleness check
        return false;
    else {                                    // try to take submission
        ForkJoinTask<?> t; ForkJoinTask<?>[] q; int b, i;
        if ((b = queueBase) != queueTop &&
            (q = submissionQueue) != null &&
            (i = (q.length - 1) & b) >= 0) {
            long u = (i << ASHIFT) + ABASE;
            if ((t = q[i]) != null && queueBase == b &&
                UNSAFE.compareAndSwapObject(q, u, t, null)) {
                queueBase = b + 1;
                w.execTask(t);
            }
            return false;
        }
        return true;                         // all queues empty
    }
}

看起来很复杂,实际的原理则很简单,就是先尝试做任务窃取( Work Stealing ),如果不满足条件则到提交队列中获取任务。而ForkJoinWorkerThread线程本身也维护了线程内fork和join任务操作得到的队列,结合起来,总体执行任务的顺序就是:

  • 线程会先执行ForkJoinWorkerThread对象内维护的任务队列中的任务,即ForkJoinWorkerThread的execTask()方法中的循环实现。通常是LIFO,即去最新的任务。也有特殊情况,这个根据变量locallyFifo的值来判断。
  • 之后会尝试做任务窃取,尝试从其他线程中获取任务
  • 任务窃取条件不满足时,到提交队列中获取提交的任务

1.4. ForkJoinPool的其它属性

除了上述提到的操作,ForkJoin中还维护了

  • 线程数组和提交任务的队列,这是最基本的
  • 操作相关的锁和条件对象
  • volatile long ctl; 等线程池ForkJoinPool状态的属性
  • static final Random workerSeedGenerator; 等和任务窃取策略相关的一系列属性
  •  private volatile long stealCount; 等数据统计相关属性

等数据属性。

2. ForkJoinWorkerThread

ForkJoinWorkerThread扩展于Thread类,但提供了很多支持ForkJoin的特性。

上文在介绍ForkJoinPool的时候已经对这个类做了很多描述,也强调过线程类ForkJoinWorkerThread和ForkJoinPool相互依赖,放在一起才有意义。实际上,还要提到描述Fork Join任务的类ForkJoinTask。

除了上面提到的以外,对于ForkJoinWorkerThread这个类,再稍微提一下这样几个点:

  • ForkJoinTask<?>[] queue; 这是维护和ForkJoin相关的(子)任务队列,还有queueTop和queueBase属性,分别标记队列的尾部和头部
  • final ForkJoinPool pool; 指向线程池的引用,需要注意的是,这个属性被final修饰
  • 和ForkJoinTask的fork()和join()方法相关的方法——pushTask()和unpushTask(),分别负责在当前ForkJoinWorkerThread对象维护的队列中新增和取回任务
  • 其它与状态和统计相关的属性

3. ForkJoinTask及两个抽象子类

ForkJoinTask是ForkJoin框架中的主体,是ForkJoin中任务的体现。这个类实现了Future和Serializable接口。除了Futrue接口要满足的方法外,我想有这样3个方法是有必要知道的,分别是fork()、join()和exec()。

对于fork(),这个也许大家都很熟悉了,在这里也就是分解出子任务的执行。这个在实现上很简单那,就是在当前线程ForkJoinWorkerThread对象维护的队列中加入新的子任务。实现如下:

public final ForkJoinTask fork() {
    ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())
        .pushTask(this);
    return this;
}

需要注意的是fork()方法的调用是在当前线程对象为ForkJoinWorkerThread的条件下。

我们再来看看对应的join()实现:

public final V join() {
    if (doJoin() != NORMAL)
        return reportResult();
    else
        return getRawResult();
}

显然,它有调用了doJoin()方法,我们再来深入了解下。

private int doJoin() {
    Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed;
    if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) {
        if ((s = status) < 0)
            return s;
        if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) {
            try {
                completed = exec();
            } catch (Throwable rex) {
                return setExceptionalCompletion(rex);
            }
            if (completed)
                return setCompletion(NORMAL);
        }
        return w.joinTask(this);
    }
    else
        return externalAwaitDone();
}

大概的逻辑是这样的,在当前线程对象为ForkJoinWorkerThread的条件下,从队列中取回当前任务ForkJoinTask对象,并尝试在调用线程对其直接执行,否则当前线程调用wait()阻塞等待。更深入的理解可续继续查阅源码。

最后,我们再来看看exec()方法,这个是在ForkJoinTask中是没有给出实现的。

在JDK中,有ForkJoinTask的两个抽象子类RecursiveAction和RecursiveTask,他们分别给出了exec()的实现,这也是这两个子类主要做的事情,实际上是调用了各自的compute()方法,而在RecursiveAction和RecursiveTask中compute()又是未给出实现的。

实际上,compute()方法就是Fork Join要执行的内容,是Fork Join任务的实质,需要开发者给出。

而RecursiveAction和RecursiveTask就是方便开发者使用Fork Join的,RecursiveAction和RecursiveTask这两个类的区别仅仅是返回结果的情况不同。而这个compute()方法就是留给开发者继承扩展使用的。这个会在下篇文章详细讲述。

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