Fork/Join框架之双端队列

简介

ForkJoinPool管理着ForkJoinWorkerThread线程，ForkJoinWorkerThread线程内部有一个双端队列，这个双端队列主要由一个数组queue、数组下标queueBase、数组上标queueTop三个值保证。

ForkJoinTask<?>[] queue：数组的大小必须是2的n次方，方便将取模转换为移位运算；

int queueTop：标识下一个被push或者pop的位置，这个值只会被当前线程修改，因些没有加volatile修饰；

volatile int queueBase：下一个可以被其他线程steal的位置，由于其他线程会修改这个值，所以用volatile修饰保证可见性。

初始化

在线程的run方法启动时，会调用线程的onStart()方法，在这个方法中对queue进行了初始化，长度为1 << 13，这个方法并没有对queueTop,queueBase进行赋值，采用默认值0。

扩容

当向线程中添加任务时，有可能会导致数组满的情况，如下代码所示：

final void pushTask(ForkJoinTask<?> t) {
ForkJoinTask<?>[] q; int s, m;
if ((q = queue) != null) {    // ignore if queue removed
long u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1)) << ASHIFT) + ABASE;
UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t);
queueTop = s + 1;         // or use putOrderedInt
if ((s -= queueBase) <= 2)
pool.signalWork();
else if (s == m)
growQueue();
}
}

其中s代表queueTop的值，m为数组长度-1，当s == m时，也就是queue数组中都放满任务了，这时需要对数组进行扩容。

private void growQueue() {
ForkJoinTask<?>[] oldQ = queue;
int size = oldQ != null ? oldQ.length << 1 : INITIAL_QUEUE_CAPACITY;
if (size > MAXIMUM_QUEUE_CAPACITY)
throw new RejectedExecutionException("Queue capacity exceeded");
if (size < INITIAL_QUEUE_CAPACITY)
size = INITIAL_QUEUE_CAPACITY;
ForkJoinTask<?>[] q = queue = new ForkJoinTask<?>[size];
int mask = size - 1;
int top = queueTop;
int oldMask;
if (oldQ != null && (oldMask = oldQ.length - 1) >= 0) {
for (int b = queueBase; b != top; ++b) {
long u = ((b & oldMask) << ASHIFT) + ABASE;
Object x = UNSAFE.getObjectVolatile(oldQ, u);
if (x != null && UNSAFE.compareAndSwapObject(oldQ, u, x, null))
UNSAFE.putObjectVolatile
(q, ((b & mask) << ASHIFT) + ABASE, x);
}
}
}

从以上扩容代码可以看出，最大容量不能超过MAXIMUM_QUEUE_CAPACITY（1 << 24），最小不能小于初始值。每次扩容为先前大小的2倍，将原始数组复制到新数组中，同时将旧数组置null。扩容的过程中，queueBase和queueTop并不需要变化。

入队列

向线程队列中添加一个任务，或者向线程池添加一个任务时，如果这个任务是一个ForkJoinTask实例，就会做入队列的操作。前面已有这段代码，这里简要分析一下

long u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1)) << ASHIFT) + ABASE;
UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t);
queueTop = s + 1;

第一行，找到queueTop在数组中的位置

第二行，用新任务填充queueTop所在位置

第三行，queueTop加1.

出队列

本地线程需要执行一个任务

final void execTask(ForkJoinTask<?> t) {
currentSteal = t;
for (;;) {
if (t != null)
t.doExec();
if (queueTop == queueBase)
break;
t = locallyFifo ? locallyDeqTask() : popTask();
}
++stealCount;
currentSteal = null;
}

注意locallyFifo 这个属性，是否对自己的队列采用FIFO策略，默认为false，即默认从queueTop一端取任务。如果这个值为false，则从queueBase一端取数据。这个值可以通过ForkJoinPool类的asyncMode属性加以修改。

final ForkJoinTask<?> locallyDeqTask() {
ForkJoinTask<?> t; int m, b, i;
ForkJoinTask<?>[] q = queue;
if (q != null && (m = q.length - 1) >= 0) {
while (queueTop != (b = queueBase)) {
if ((t = q[i = m & b]) != null &&
queueBase == b &&
UNSAFE.compareAndSwapObject(q, (i << ASHIFT) + ABASE,
t, null)) {
queueBase = b + 1;
return t;
}
}
}
return null;
}

private ForkJoinTask<?> popTask() {
int m;
ForkJoinTask<?>[] q = queue;
if (q != null && (m = q.length - 1) >= 0) {
for (int s; (s = queueTop) != queueBase;) {
int i = m & --s;
long u = (i << ASHIFT) + ABASE; // raw offset
ForkJoinTask<?> t = q[i];
if (t == null)   // lost to stealer
break;
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(q, u, t, null)) {
queueTop = s; // or putOrderedInt
return t;
}
}
}
return null;
}

关键两句话：

queueBase = b + 1：FIFO策略每次从queueBase取任务，每取一个，queueBase增加1；
--s,queueTop = s：LIFO策略每次从queueTop取任务，每取一个，queueTop减1。

其他线程需要偷一个任务执行

以下是work-stealing的核心代码

for (;;) {
ForkJoinTask<?>[] q; int b, i;
if (joinMe.status < 0)
break outer;
if ((b = v.queueBase) == v.queueTop ||
(q = v.queue) == null ||
(i = (q.length-1) & b) < 0)
break;                  // empty
long u = (i << ASHIFT) + ABASE;
ForkJoinTask<?> t = q[i];
if (task.status < 0)
break outer;            // stale
if (t != null && v.queueBase == b &&
UNSAFE.compareAndSwapObject(q, u, t, null)) {
v.queueBase = b + 1;
v.stealHint = poolIndex;
ForkJoinTask<?> ps = currentSteal;
currentSteal = t;
t.doExec();
currentSteal = ps;
helped = true;
}
}

1、瞄到第i个位置这个任务，i = (q.length-1) & b，i其实就是queueBase在数组中所在的位置；
2、将这个位置上的任务设置为null，并增加queueBase的值，设置stealHint表示你的东西被我偷了；

3、保存先前的currentSteal值，设置currentSteal为这个偷来的task，然后执行这个task，执行完后，恢复currentSteal的值。