[整理] 并发 Fork/Join 框架介绍 (Java)
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：
那么为何须要使用工做窃取算法呢？
假如咱们须要作一个比较大的任务，咱们能够把这个任务分割为若干互不依赖的子任务，为了减小线程间的竞争，因而把这些子任务分别放到不一样的队列里，并为每一个队列建立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，好比A线程负责处理A队列里的任务。
可是有的线程会先把本身队列里的任务干完，而其余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，不如去帮其余线程干活，因而它就去其余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，因此为了减小窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争，一般会使用双端队列，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。
工作窃取算法的优势是充分利用线程进行并行计算，并减小了线程间的竞争，其缺点是在某些状况下仍是存在竞争，好比双端队列里只有一个任务时。而且消耗了更多的系统资源，比如建立多个线程和多个双端队列。
3. Fork/Join框架的介绍
咱们已经很清楚Fork/Join框架的需求了，那么咱们能够思考一下，若是让咱们来设计一个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。
首先咱们须要有一个fork类来把大任务分割成子任务，有可能子任务仍是很大，因此还须要不停的分割，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，而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，而后合并这些数据。
Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情：
-
ForkJoinTask：咱们要使用ForkJoin框架，必须首先建立一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行fork()和join()操做的机制，一般状况下咱们不须要直接继承ForkJoinTask类，而只须要继承它的子类，Fork/Join框架提供了如下两个子类：
- 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须要经过ForkJoinPool来执行，任务分割出的子任务会添加到当前工做线程所维护的双端队列中，进入队列的头部。当一个工做线程的队列里暂时没有任务时，它会随机从其余工做线程的队列的尾部获取一个任务。
4. 使用Fork/Join框架
让咱们经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，若是咱们但愿每一个子任务最多执行两个数的相加，那么咱们设置分割的阈值是2，因为是4个数字相加，因此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，而后再join两个子任务的结果。
由于是有结果的任务，因此必须继承RecursiveTask，实现代码以下：
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
public class DemoApplication {
public static void main(String[] args) {
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
CountTask countTask = new CountTask(1, 4);
Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(countTask);
try {
System.out.println(result.get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {
private int start;
private int end;
private static final int THRESHOLD = 2;
public CountTask(int start, int end) {
this.start = start;
this.end = end;
}
@Override
protected Integer compute() {
int sum = 0;
boolean canFork = end - start > THRESHOLD;
if (!canFork) {
for (int i = start; i <= end; i++) {
sum += i;
}
} else {
int middle = (end + start)/2;
CountTask leftTask = new CountTask(start, middle);
CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, end);
leftTask.fork();
rightTask.fork();
int leftResult = leftTask.join();
int rightResult = rightTask.join();
sum = leftResult + rightResult;
}
return sum;
}
}
输出结果：
10
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：
public final ForkJoinTask fork() {
((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())
.pushTask(this);
return this;
}
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：
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();
}
}
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
public final V join() {
if (doJoin() != NORMAL)
return reportResult();
else
return getRawResult();
}
private V reportResult() {
int s; Throwable ex;
if ((s = status) == CANCELLED)
throw new CancellationException();
if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != null)
UNSAFE.throwException(ex);
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：
private int doJoin() {
Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed;
if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) {
if ((s = status) < 0)
return s;
if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) {
try {
completed = exec();
} catch (Throwable rex) {
return setExceptionalCompletion(rex);
}
if (completed)
return setCompletion(NORMAL);
}
return w.joinTask(this);
}
else
return externalAwaitDone();
}
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。
