带着BAT大厂的面试问题去理解Phaser工具

请带着这些问题继续后文，会很大程度上帮助你更好的理解Phaser工具。

Phaser运行机制

java的基本运行原理（Java并发编程的艺术）(1)

跟其他barrier不同，在phaser上注册的parties会随着时间的变化而变化。任务可以随时注册(使用方法register,bulkRegister注册，或者由构造器确定初始parties)，并且在任何抵达点可以随意地撤销注册(方法arriveAndDeregister)。就像大多数基本的同步结构一样，注册和撤销只影响内部count；不会创建更深的内部记录，所以任务不能查询他们是否已经注册。(不过，可以通过继承来实现类似的记录)

和CyclicBarrier一样，Phaser也可以重复await。方法arriveAndAwaitAdvance的效果类似CyclicBarrier.await。phaser的每一代都有一个相关的phase number，初始值为0，当所有注册的任务都到达phaser时phase 1，到达最大值(Integer.MAX_VALUE)之后清零。使用phase number可以独立控制 到达phaser 和 等待其他线程 的动作，通过下面两种类型的方法:

Arrival(到达机制) arrive和arriveAndDeregister方法记录到达状态。这些方法不会阻塞，但是会返回一个相关的arrival phase number；也就是说，phase number用来确定到达状态。当所有任务都到达给定phase时，可以执行一个可选的函数，这个函数通过重写onAdvance方法实现，通常可以用来控制终止状态。重写此方法类似于为CyclicBarrier提供一个barrierAction，但比它更灵活。

Waiting(等待机制) awaitAdvance方法需要一个表示arrival phase number的参数，并且在phaser前进到与给定phase不同的phase时返回。和CyclicBarrier不同，即使等待线程已经被中断，awaitAdvance方法也会一直等待。中断状态和超时时间同样可用，但是当任务等待中断或超时后未改变phaser的状态时会遭遇异常。如果有必要，在方法forceTermination之后可以执行这些异常的相关的handler进行恢复操作，Phaser也可能被ForkJoinPool中的任务使用，这样在其他任务阻塞等待一个phase时可以保证足够的并行度来执行任务。

  • Termination(终止机制) :

可以用isTerminated方法检查phaser的终止状态。在终止时，所有同步方法立刻返回一个负值。在终止时尝试注册也没有效果。当调用onAdvance返回true时Termination被触发。当deregistration操作使已注册的parties变为0时，onAdvance的默认实现就会返回true。也可以重写onAdvance方法来定义终止动作。forceTermination方法也可以释放等待线程并且允许它们终止。

  • Tiering(分层结构) :

Phaser支持分层结构(树状构造)来减少竞争。注册了大量parties的Phaser可能会因为同步竞争消耗很高的成本， 因此可以设置一些子Phaser来共享一个通用的parent。这样的话即使每个操作消耗了更多的开销，但是会提高整体吞吐量。 在一个分层结构的phaser里，子节点phaser的注册和取消注册都通过父节点管理。子节点phaser通过构造或方法register、bulkRegister进行首次注册时，在其父节点上注册。子节点phaser通过调用arriveAndDeregister进行最后一次取消注册时，也在其父节点上取消注册。

  • Monitoring(状态监控) :

由于同步方法可能只被已注册的parties调用，所以phaser的当前状态也可能被任何调用者监控。在任何时候，可以通过getRegisteredParties获取parties数，其中getArrivedParties方法返回已经到达当前phase的parties数。当剩余的parties(通过方法getUnarrivedParties获取)到达时，phase进入下一代。这些方法返回的值可能只表示短暂的状态，所以一般来说在同步结构里并没有啥卵用。

Phaser源码详解核心参数

private volatile long state; /** * The parent of this phaser, or null if none */ private final Phaser parent; /** * The root of phaser tree. Equals this if not in a tree. */ private final Phaser root; //等待线程的栈顶元素，根据phase取模定义为一个奇数header和一个偶数header private final AtomicReference<QNode> evenQ; private final AtomicReference<QNode> oddQ; @pdai: 代码已经复制到剪贴板

state状态说明:

Phaser使用一个long型state值来标识内部状态:

  • 低0-15位表示未到达parties数；
  • 中16-31位表示等待的parties数；
  • 中32-62位表示phase当前代；
  • 高63位表示当前phaser的终止状态。

注意: 子Phaser的phase在没有被真正使用之前，允许滞后于它的root节点。这里在后面源码分析的reconcileState方法里会讲解。 Qnode是Phaser定义的内部等待队列，用于在阻塞时记录等待线程及相关信息。实现了ForkJoinPool的一个内部接口ManagedBlocker，上面已经说过，Phaser也可能被ForkJoinPool中的任务使用，这样在其他任务阻塞等待一个phase时可以保证足够的并行度来执行任务(通过内部实现方法isReleasable和block)。

函数列表

//构造方法 public Phaser() { this(null, 0); } public Phaser(int parties) { this(null, parties); } public Phaser(Phaser parent) { this(parent, 0); } public Phaser(Phaser parent, int parties) //注册一个新的party public int register() //批量注册 public int bulkRegister(int parties) //使当前线程到达phaser，不等待其他任务到达。返回arrival phase number public int arrive() //使当前线程到达phaser并撤销注册，返回arrival phase number public int arriveAndDeregister() /* * 使当前线程到达phaser并等待其他任务到达，等价于awaitAdvance(arrive())。 * 如果需要等待中断或超时，可以使用awaitAdvance方法完成一个类似的构造。 * 如果需要在到达后取消注册，可以使用awaitAdvance(arriveAndDeregister())。 */ public int arriveAndAwaitAdvance() //等待给定phase数，返回下一个 arrival phase number public int awaitAdvance(int phase) //阻塞等待，直到phase前进到下一代，返回下一代的phase number public int awaitAdvance(int phase) //响应中断版awaitAdvance public int awaitAdvanceInterruptibly(int phase) throws InterruptedException public int awaitAdvanceInterruptibly(int phase, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, TimeoutException //使当前phaser进入终止状态，已注册的parties不受影响，如果是分层结构，则终止所有phaser public void forceTermination()

方法 - register()

//注册一个新的party public int register() { return doRegister(1); } private int doRegister(int registrations) { // adjustment to state long adjust = ((long)registrations << PARTIES_SHIFT) | registrations; final Phaser parent = this.parent; int phase; for (;;) { long s = (parent == null) ? state : reconcileState(); int counts = (int)s; int parties = counts >>> PARTIES_SHIFT;//获取已注册parties数 int unarrived = counts & UNARRIVED_MASK;//未到达数 if (registrations > MAX_PARTIES - parties) throw new IllegalStateException(badRegister(s)); phase = (int)(s >>> PHASE_SHIFT);//获取当前代 if (phase < 0) break; if (counts != EMPTY) { // not 1st registration if (parent == null || reconcileState() == s) { if (unarrived == 0) // wait out advance root.internalAwaitAdvance(phase, null);//等待其他任务到达 else if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, s adjust))//更新注册的parties数 break; } } else if (parent == null) { // 1st root registration long next = ((long)phase << PHASE_SHIFT) | adjust; if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, next))//更新phase break; } else { //分层结构，子phaser首次注册用父节点管理 synchronized (this) { // 1st sub registration if (state == s) { // recheck under lock phase = parent.doRegister(1);//分层结构，使用父节点注册 if (phase < 0) break; // finish registration whenever parent registration // succeeded, even when racing with termination, // since these are part of the same "transaction". //由于在同一个事务里，即使phaser已终止，也会完成注册 while (!UNSAFE.compareAndSwapLong (this, stateOffset, s, ((long)phase << PHASE_SHIFT) | adjust)) {//更新phase s = state; phase = (int)(root.state >>> PHASE_SHIFT); // assert (int)s == EMPTY; } break; } } } } return phase; }

说明: register方法为phaser添加一个新的party，如果onAdvance正在运行，那么这个方法会等待它运行结束再返回结果。如果当前phaser有父节点，并且当前phaser上没有已注册的party，那么就会交给父节点注册。

register和bulkRegister都由doRegister实现，大概流程如下:

  • 如果当前操作不是首次注册，那么直接在当前phaser上更新注册parties数
  • 如果是首次注册，并且当前phaser没有父节点，说明是root节点注册，直接更新phase
  • 如果当前操作是首次注册，并且当前phaser由父节点，则注册操作交由父节点，并更新当前phaser的phase
  • 上面说过，子Phaser的phase在没有被真正使用之前，允许滞后于它的root节点。非首次注册时，如果Phaser有父节点，则调用reconcileState()方法解决root节点的phase延迟传递问题， 源码如下:

private long reconcileState() { final Phaser root = this.root; long s = state; if (root != this) { int phase, p; // CAS to root phase with current parties, tripping unarrived while ((phase = (int)(root.state >>> PHASE_SHIFT)) != (int)(s >>> PHASE_SHIFT) && !UNSAFE.compareAndSwapLong (this, stateOffset, s, s = (((long)phase << PHASE_SHIFT) | ((phase < 0) ? (s & COUNTS_MASK) : (((p = (int)s >>> PARTIES_SHIFT) == 0) ? EMPTY : ((s & PARTIES_MASK) | p)))))) s = state; } return s; }

当root节点的phase已经advance到下一代，但是子节点phaser还没有，这种情况下它们必须通过更新未到达parties数 完成它们自己的advance操作(如果parties为0，重置为EMPTY状态)。

回到register方法的第一步，如果当前未到达数为0，说明上一代phase正在进行到达操作，此时调用internalAwaitAdvance()方法等待其他任务完成到达操作，源码如下:

//阻塞等待phase到下一代 private int internalAwaitAdvance(int phase, QNode node) { // assert root == this; releaseWaiters(phase-1); // ensure old queue clean boolean queued = false; // true when node is enqueued int lastUnarrived = 0; // to increase spins upon change int spins = SPINS_PER_ARRIVAL; long s; int p; while ((p = (int)((s = state) >>> PHASE_SHIFT)) == phase) { if (node == null) { // spinning in noninterruptible mode int unarrived = (int)s & UNARRIVED_MASK;//未到达数 if (unarrived != lastUnarrived && (lastUnarrived = unarrived) < NCPU) spins = SPINS_PER_ARRIVAL; boolean interrupted = Thread.interrupted(); if (interrupted || --spins < 0) { // need node to record intr //使用node记录中断状态 node = new QNode(this, phase, false, false, 0L); node.wasInterrupted = interrupted; } } else if (node.isReleasable()) // done or aborted break; else if (!queued) { // push onto queue AtomicReference<QNode> head = (phase & 1) == 0 ? evenQ : oddQ; QNode q = node.next = head.get(); if ((q == null || q.phase == phase) && (int)(state >>> PHASE_SHIFT) == phase) // avoid stale enq queued = head.compareAndSet(q, node); } else { try { ForkJoinPool.managedBlock(node);//阻塞给定node } catch (InterruptedException ie) { node.wasInterrupted = true; } } } if (node != null) { if (node.thread != null) node.thread = null; // avoid need for unpark() if (node.wasInterrupted && !node.interruptible) Thread.currentThread().interrupt(); if (p == phase && (p = (int)(state >>> PHASE_SHIFT)) == phase) return abortWait(phase); // possibly clean up on abort } releaseWaiters(phase); return p; }

简单介绍下第二个参数node，如果不为空，则说明等待线程需要追踪中断状态或超时状态。以doRegister中的调用为例，不考虑线程争用，internalAwaitAdvance大概流程如下:

  • 首先调用releaseWaiters唤醒上一代所有等待线程，确保旧队列中没有遗留的等待线程。
  • 循环SPINS_PER_ARRIVAL指定的次数或者当前线程被中断，创建node记录等待线程及相关信息。
  • 继续循环调用ForkJoinPool.managedBlock运行被阻塞的任务
  • 继续循环，阻塞任务运行成功被释放，跳出循环
  • 最后唤醒当前phase的线程
方法 - arrive()

//使当前线程到达phaser，不等待其他任务到达。返回arrival phase number public int arrive() { return doArrive(ONE_ARRIVAL); } private int doArrive(int adjust) { final Phaser root = this.root; for (;;) { long s = (root == this) ? state : reconcileState(); int phase = (int)(s >>> PHASE_SHIFT); if (phase < 0) return phase; int counts = (int)s; //获取未到达数 int unarrived = (counts == EMPTY) ? 0 : (counts & UNARRIVED_MASK); if (unarrived <= 0) throw new IllegalStateException(badArrive(s)); if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, s-=adjust)) {//更新state if (unarrived == 1) {//当前为最后一个未到达的任务 long n = s & PARTIES_MASK; // base of next state int nextUnarrived = (int)n >>> PARTIES_SHIFT; if (root == this) { if (onAdvance(phase, nextUnarrived))//检查是否需要终止phaser n |= TERMINATION_BIT; else if (nextUnarrived == 0) n |= EMPTY; else n |= nextUnarrived; int nextPhase = (phase 1) & MAX_PHASE; n |= (long)nextPhase << PHASE_SHIFT; UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, n); releaseWaiters(phase);//释放等待phase的线程 } //分层结构，使用父节点管理arrive else if (nextUnarrived == 0) { //propagate deregistration phase = parent.doArrive(ONE_DEREGISTER); UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, s | EMPTY); } else phase = parent.doArrive(ONE_ARRIVAL); } return phase; } } }

说明: arrive方法手动调整到达数，使当前线程到达phaser。arrive和arriveAndDeregister都调用了doArrive实现，大概流程如下:

  • 首先更新state(state - adjust)；
  • 如果当前不是最后一个未到达的任务，直接返回phase
  • 如果当前是最后一个未到达的任务: 如果当前是root节点，判断是否需要终止phaser，CAS更新phase，最后释放等待的线程； 如果是分层结构，并且已经没有下一代未到达的parties，则交由父节点处理doArrive逻辑，然后更新state为EMPTY。
方法 - arriveAndAwaitAdvance()

public int arriveAndAwaitAdvance() { // Specialization of doArrive awaitAdvance eliminating some reads/paths final Phaser root = this.root; for (;;) { long s = (root == this) ? state : reconcileState(); int phase = (int)(s >>> PHASE_SHIFT); if (phase < 0) return phase; int counts = (int)s; int unarrived = (counts == EMPTY) ? 0 : (counts & UNARRIVED_MASK);//获取未到达数 if (unarrived <= 0) throw new IllegalStateException(badArrive(s)); if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, s -= ONE_ARRIVAL)) {//更新state if (unarrived > 1) return root.internalAwaitAdvance(phase, null);//阻塞等待其他任务 if (root != this) return parent.arriveAndAwaitAdvance();//子Phaser交给父节点处理 long n = s & PARTIES_MASK; // base of next state int nextUnarrived = (int)n >>> PARTIES_SHIFT; if (onAdvance(phase, nextUnarrived))//全部到达，检查是否可销毁 n |= TERMINATION_BIT; else if (nextUnarrived == 0) n |= EMPTY; else n |= nextUnarrived; int nextPhase = (phase 1) & MAX_PHASE;//计算下一代phase n |= (long)nextPhase << PHASE_SHIFT; if (!UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, n))//更新state return (int)(state >>> PHASE_SHIFT); // terminated releaseWaiters(phase);//释放等待phase的线程 return nextPhase; } } }

说明: 使当前线程到达phaser并等待其他任务到达，等价于awaitAdvance(arrive())。如果需要等待中断或超时，可以使用awaitAdvance方法完成一个类似的构造。如果需要在到达后取消注册，可以使用awaitAdvance(arriveAndDeregister())。效果类似于CyclicBarrier.await。大概流程如下:

  • 更新state(state - 1)；
  • 如果未到达数大于1，调用internalAwaitAdvance阻塞等待其他任务到达，返回当前phase
  • 如果为分层结构，则交由父节点处理arriveAndAwaitAdvance逻辑
  • 如果未到达数<=1，判断phaser终止状态，CAS更新phase到下一代，最后释放等待当前phase的线程，并返回下一代phase。
方法 - awaitAdvance(int phase)

public int awaitAdvance(int phase) { final Phaser root = this.root; long s = (root == this) ? state : reconcileState(); int p = (int)(s >>> PHASE_SHIFT); if (phase < 0) return phase; if (p == phase) return root.internalAwaitAdvance(phase, null); return p; } //响应中断版awaitAdvance public int awaitAdvanceInterruptibly(int phase) throws InterruptedException { final Phaser root = this.root; long s = (root == this) ? state : reconcileState(); int p = (int)(s >>> PHASE_SHIFT); if (phase < 0) return phase; if (p == phase) { QNode node = new QNode(this, phase, true, false, 0L); p = root.internalAwaitAdvance(phase, node); if (node.wasInterrupted) throw new InterruptedException(); } return p; }

说明: awaitAdvance用于阻塞等待线程到达，直到phase前进到下一代，返回下一代的phase number。方法很简单，不多赘述。awaitAdvanceInterruptibly方法是响应中断版的awaitAdvance，不同之处在于，调用阻塞时会记录线程的中断状态。

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