Java并发指南16：JUC中常用的Unsafe和Locksupport

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1. 什么是Fork/Join框架

Fork/Join框架是Java7提供了的一个用于并行执行任务的框架，是一个把大任务分割成若干个小任务，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架。

我们再通过Fork和Join这两个单词来理解下Fork/Join框架，Fork就是把一个大任务切分为若干子任务并行的执行，Join就是合并这些子任务的执行结果，最后得到这个大任务的结果。比如计算1+2+。。＋10000，可以分割成10个子任务，每个子任务分别对1000个数进行求和，最终汇总这10个子任务的结果。Fork/Join的运行流程图如下：

2. 工作窃取算法

工作窃取（work-stealing）算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。工作窃取的运行流程图如下：

那么为什么需要使用工作窃取算法呢？假如我们需要做一个比较大的任务，我们可以把这个任务分割为若干互不依赖的子任务，为了减少线程间的竞争，于是把这些子任务分别放到不同的队列里，并为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，比如A线程负责处理A队列里的任务。但是有的线程会先把自己队列里的任务干完，而其他线程对应的队列里还有任务等待处理。干完活的线程与其等着，不如去帮其他线程干活，于是它就去其他线程的队列里窃取一个任务来执行。而在这时它们会访问同一个队列，所以为了减少窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争，通常会使用双端队列，被窃取任务线程永远从双端队列的头部拿任务执行，而窃取任务的线程永远从双端队列的尾部拿任务执行。

工作窃取算法的优点是充分利用线程进行并行计算，并减少了线程间的竞争，其缺点是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。

3. Fork/Join框架的介绍

我们已经很清楚Fork/Join框架的需求了，那么我们可以思考一下，如果让我们来设计一个Fork/Join框架，该如何设计？这个思考有助于你理解Fork/Join框架的设计。

第一步分割任务。首先我们需要有一个fork类来把大任务分割成子任务，有可能子任务还是很大，所以还需要不停的分割，直到分割出的子任务足够小。

第二步执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列里，然后几个启动线程分别从双端队列里获取任务执行。子任务执行完的结果都统一放在一个队列里，启动一个线程从队列里拿数据，然后合并这些数据。

Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情：

ForkJoinTask：我们要使用ForkJoin框架，必须首先创建一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行fork()和join()操作的机制，通常情况下我们不需要直接继承ForkJoinTask类，而只需要继承它的子类，Fork/Join框架提供了以下两个子类：
- RecursiveAction：用于没有返回结果的任务。
- RecursiveTask ：用于有返回结果的任务。
ForkJoinPool ：ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行，任务分割出的子任务会添加到当前工作线程所维护的双端队列中，进入队列的头部。当一个工作线程的队列里暂时没有任务时，它会随机从其他工作线程的队列的尾部获取一个任务。

4. 使用Fork/Join框架

让我们通过一个简单的需求来使用下Fork／Join框架，需求是：计算1+2+3+4的结果。

使用Fork／Join框架首先要考虑到的是如何分割任务，如果我们希望每个子任务最多执行两个数的相加，那么我们设置分割的阈值是2，由于是4个数字相加，所以Fork／Join框架会把这个任务fork成两个子任务，子任务一负责计算1+2，子任务二负责计算3+4，然后再join两个子任务的结果。

因为是有结果的任务，所以必须继承RecursiveTask，实现代码如下：

001 packagefj;

002

003 importjava.util.concurrent.ExecutionException;

004

005 importjava.util.concurrent.ForkJoinPool;

006

007 importjava.util.concurrent.Future;

008

009 importjava.util.concurrent.RecursiveTask;

010

011 publicclassCountTaskextendsRecursiveTask {

012

013 privatestaticfinalintTHRESHOLD= 2;//阈值

014

015 privateintstart;

016

017 privateintend;

018

019 publicCountTask(intstart,intend) {

020

021 this.start= start;

022

023 this.end= end;

024

025 }

026

027 @Override

028

029 protectedInteger compute() {

030

031 intsum = 0;

032

033 //如果任务足够小就计算任务

034

035 booleancanCompute = (end-start) <=THRESHOLD;

036

037 if(canCompute) {

038

039 for(inti =start; i <=end; i++) {

040

041 sum += i;

042

043 }

044

045 }else{

046

047 //如果任务大于阀值，就分裂成两个子任务计算

048

049 intmiddle = (start+end) / 2;

050

051 CountTask leftTask =newCountTask(start, middle);

052

053 CountTask rightTask =newCountTask(middle + 1,end);

054

055 //执行子任务

056

057 leftTask.fork();

058

059 rightTask.fork();

060

061 //等待子任务执行完，并得到其结果

062

063 intleftResult=leftTask.join();

064

065 intrightResult=rightTask.join();

066

067 //合并子任务

068

069 sum = leftResult + rightResult;

070

071 }

072

073 returnsum;

074

075 }

076

077 publicstaticvoidmain(String[] args) {

078

079 ForkJoinPool forkJoinPool =newForkJoinPool();

080

081 //生成一个计算任务，负责计算1+2+3+4

082

083 CountTask task =newCountTask(1, 4);

084

085 //执行一个任务

086

087 Future result = forkJoinPool.submit(task);

088

089 try{

090

091 System.out.println(result.get());

092

093 }catch(InterruptedException e) {

094

095 }catch(ExecutionException e) {

096

097 }

098

099 }

100

101 }

通过这个例子让我们再来进一步了解ForkJoinTask，ForkJoinTask与一般的任务的主要区别在于它需要实现compute方法，在这个方法里，首先需要判断任务是否足够小，如果足够小就直接执行任务。如果不足够小，就必须分割成两个子任务，每个子任务在调用fork方法时，又会进入compute方法，看看当前子任务是否需要继续分割成孙任务，如果不需要继续分割，则执行当前子任务并返回结果。使用join方法会等待子任务执行完并得到其结果。

5. Fork/Join框架的异常处理

ForkJoinTask在执行的时候可能会抛出异常，但是我们没办法在主线程里直接捕获异常，所以ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法来检查任务是否已经抛出异常或已经被取消了，并且可以通过ForkJoinTask的getException方法获取异常。使用如下代码：

if(task.isCompletedAbnormally()){System.out.println(task.getException());}

getException方法返回Throwable对象，如果任务被取消了则返回CancellationException。如果任务没有完成或者没有抛出异常则返回null。

6. Fork/Join框架的实现原理

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责存放程序提交给ForkJoinPool的任务，而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。

ForkJoinTask的fork方法实现原理。当我们调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会调用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法异步的执行这个任务，然后立即返回结果。代码如下：

`1`	`public` `final` `ForkJoinTask fork() {`

`2`	`((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())`

`3`	`.pushTask(this);`

`4`	`return` `this;`

5 }

pushTask方法把当前任务存放在ForkJoinTask 数组queue里。然后再调用ForkJoinPool的signalWork()方法唤醒或创建一个工作线程来执行任务。代码如下：

`01`	`final` `void` `pushTask(ForkJoinTask t) {`

`02`	`ForkJoinTask[] q;` `int` `s, m;`

`03`	`if` `((q = queue) !=` `null) {` `// ignore if queue removed`

`04`	`long` `u = (((s = queueTop) & (m = q.length -` `1)) << ASHIFT) + ABASE;`

`05`	`UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t);`

`06`	`queueTop = s +` `1;` `// or use putOrderedInt`

`07`	`if` `((s -= queueBase) <=` `2)`

`08`	`pool.signalWork();`

`09`	`else` `if` `(s == m)`

`10`	`growQueue();`

11 }

12 }

ForkJoinTask的join方法实现原理。Join方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。让我们一起看看ForkJoinTask的join方法的实现，代码如下：

`01`	`public` `final` `V join() {`

`02`	`if` `(doJoin() != NORMAL)`

`03`	`return` `reportResult();`

04 else

`05`	`return` `getRawResult();`

06 }

`07`	`private` `V reportResult() {`

`08`	`int` `s; Throwable ex;`

`09`	`if` `((s = status) == CANCELLED)`

`10`	`throw` `new` `CancellationException();`

`11`	`if` `(s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) !=` `null)`

`12`	`UNSAFE.throwException(ex);`

`13`	`return` `getRawResult();`

14 }

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，任务状态有四种：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。

让我们再来分析下doJoin()方法的实现代码：

`01`	`private` `int` `doJoin() {`

`02`	`Thread t; ForkJoinWorkerThread w;` `int` `s;` `booleancompleted;`

`03`	`if` `((t = Thread.currentThread())` `instanceofForkJoinWorkerThread) {`

`04`	`if` `((s = status) <` `0)`

`05`	`return` `s;`

`06`	`if` `((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) {`

07 try {

`08`	`completed = exec();`

`09`	`}` `catch` `(Throwable rex) {`

`10`	`return` `setExceptionalCompletion(rex);`

11 }

`12`	`if` `(completed)`

`13`	`return` `setCompletion(NORMAL);`

14 }

`15`	`return` `w.joinTask(this);`

16 }

17 else

`18`	`return` `externalAwaitDone();`

19 }

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了，如果执行完了，则直接返回任务状态，如果没有执行完，则从任务数组里取出任务并执行。如果任务顺利执行完成了，则设置任务状态为NORMAL，如果出现异常，则纪录异常，并将任务状态设置为EXCEPTIONAL。