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Java ForkJoin 解析

本文主要想了解两个地方:如何窃取任务、task如何等待(join)
代码基于 OpenJDK 12

窃取算法(work-stealing)

ForkJoin-Paper-DougLea中可以看出:

  • 每个队列创建一个单独的线程来执行队列里的任务,线程和队列一一对应。
  • 队列使用的是双端队列,支持LIFO、FIFO。
  • 子任务会被放到线程(不一定是当前线程)的队列中。
  • 工作线程按照LIFO的顺序处理自己队列中数据。
  • 当一个工作线程处理完自己队列中数据的时候,会随机挑选一个工作线程,并“窃取”的该工作线程队列队尾的task。

到了这里就可以知道,窃取任务从其他线程队列的尾部窃取的了。

窃取算法优缺点

工作窃取算法的优点:充分利用线程进行并行计算,减少了线程间的竞争。
工作窃取算法的缺点:在某些情况下还是存在竞争,比如双端队列里只有一个任务时。并且该算法会消耗了更多的系统资源,比如创建多个线程和多个双端队列。

Task 等待(join)

Join方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。具体代码如下:

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public final V join() {
int s;
if (((s = doJoin()) & ABNORMAL) != 0)
reportException(s);
return getRawResult();
}

首先,它调用了doJoin()方法,通过doJoin()方法得到当前任务的状态来判断返回什么结果,任务状态有4种:已完成(NORMAL)、被取消(CANCELLED)、信号(SIGNAL)和出现异常(EXCEPTIONAL)。

  • 如果任务状态是已完成,则直接返回任务结果。
  • 如果任务状态是被取消,则直接抛出CancellationException。
  • 如果任务状态是抛出异常,则直接抛出对应的异常。

让我们再来分析一下doJoin()方法的实现代码:

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/**
* Implementation for join, get, quietlyJoin. Directly handles
* only cases of already-completed, external wait, and
* unfork+exec. Others are relayed to ForkJoinPool.awaitJoin.
*
* @return status upon completion
*/
private int doJoin() {
int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;
return
//已完成,返回status
(s = status) < 0 ? s :
//未完成,如果当前线程是ForkJoinWorkerThread,从该线程中取出workQueue,并尝试将
//当前task出队然后执行,执行的结果是完成则返回状态,否则使用当线程池所在的ForkJoinPool的awaitJoin方法等待
((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?
(w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s : wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :
//当前线程不是ForkJoinWorkerThread,调用externalAwaitDone方法
//externalAwaitDone: Blocks a non-worker-thread until completion.
externalAwaitDone();
}
/**
* Pops the given task only if it is at the current top.
*/
final boolean tryUnpush(ForkJoinTask<?> task) {
boolean popped = false;
int s, cap; ForkJoinTask<?>[] a;
if ((a = array) != null && (cap = a.length) > 0 &&
(s = top) != base &&
(popped = QA.compareAndSet(a, (cap - 1) & --s, task, null)))
TOP.setOpaque(this, s);
return popped;
}
/**
* Primary execution method for stolen tasks. Unless done, calls
* exec and records status if completed, but doesn't wait for
* completion otherwise.
*
* @return status on exit from this method
*/
final int doExec() {
int s; boolean completed;
// 仅未完成的任务会运行,其他情况会忽略.
if ((s = status) >= 0) {
try {
//exec是abstract方法
//调用ForkJoinTask子类中exec
completed = exec();
} catch (Throwable rex) {
completed = false;
s = setExceptionalCompletion(rex);
}
if (completed)
s = setDone();
}
return s;
}

在doJoin()方法里,首先通过查看任务的状态,看任务是否已经执行完成,如果执行完成,则直接返回任务状态;如果没有执行完,则从任务队列中取出任务并执行。如果任务顺利执行完成,则设置任务状态为NORMAL,如果出现异常,则记录异常,并将任务状态设置为EXCEPTIONAL。

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