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：
<pre>if(task.isCompletedAbnormally()){System.out.println(task.getException());}
</pre>
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; boolean completed;` |
|---|
03 |
if ((t = Thread.currentThread()) `instanceof ForkJoinWorkerThread) { |
|---|
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。
<pre name="code"></pre>
正文到此结束
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