并发编程（十三）：Fork-Join框架
目录
1.Fork/Join框架简介
Java7提供的一个并行任务执行，把大任务分割成小任务，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架
Fork/Join运行流程图：
2.工作窃取算法
某个线程从其他队列窃取任务来执行
大任务分割为子任务，将子任务放在不同的任务队列中，每个队列创建一个单独线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应
工作窃取：有的线程把自己队列中的任务干完之后，会去其他线程的队列中窃取一个任务执行，通常使用双端队列，被窃取任务的线程从双端队列头部拿任务执行，窃取任务的线程从双端队列尾部拿任务执行
工作窃取算法优缺点：
- 优点：充分利用线程进行并行计算，减少线程间的竞争
- 缺点：消耗更多系统资源，只有一个任务时会出现竞争
3.Fork/Join框架设计
主要步骤：分割任务，执行任务，合并结果
- 分割任务：需要一个fork类把大任务拆成子任务，子任务太大可能还要分割
- 执行任务并合并结果：子任务在双端队列中执行，结果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
需要使用两个类：
ForkJoinTask：创建fork-join任务，提供了fork()和join()实现机制，通常情况下继承它的子类即可：RecursiveAction(无返回值)，RecursiveTask(有返回值)ForkJoinPool：执行fork-join任务
4.使用Fork/Join框架
创建任务：重写了RecursiveTask的compute()方法
// 如果任务大于阈值，就分裂成两个子任务计算
int middle = (start + end) / 2;
CountTask leftTask = new CountTask(start, middle);
CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, end);
// 执行子任务
leftTask.fork();
rightTask.fork();
// 等待子任务执行完，并得到其结果
int leftResult=leftTask.join();
int rightResult=rightTask.join();
// 合并子任务
sum = leftResult + rightResult;
使用Fork-Join池执行：
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
// 生成一个计算任务，负责计算1+2+3+4
CountTask task = new CountTask(1, 4);
// 执行一个任务 ,返回一个Future
Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
try {
System.out.println(result.get());
} catch (InterruptedException e) {
} catch (ExecutionException e) {
}
5.Fork/Join框架异常处理
ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法检查任务是否抛出异常或被取消，通过getException()方法获取异常：
if(task.isCompletedAbnormally()) {
System.out.println(task.getException());
}
6.Fork/Join框架实现原理
ForkJoinPool由任务数组ForkJoinTask和工作线程数组ForkJoinWorkerThread组成
- ForkJoinTask负责存放提交的任务
- ForkJoinWorkerThread负责执行这些任务
6.1 fork()方法的实现
public final ForkJoinTask<V> fork() {
//调用pushTask执行任务
((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())
.pushTask(this);
return this;
}
pushTask把当前任务存放在ForkJoinTask数组中，调用signalWork()唤醒或创建一个工作线程来执行任务：
final void pushTask(ForkJoinTask<> t) {
ForkJoinTask<>[] q;
//s:队头，m:队尾
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)
//唤醒或创建线程处理
pool.signalWork();
else if (s == m)
//扩展队列
growQueue();
}
}
6.2 join()方法的实现
主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果
public final V join() {
//通过doJoin得到任务状态
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();
}
四种任务状态：
- 已完成（NORMAL）：直接返回任务结果
- 被取消（CANCELLED）：直接抛出CancllationException
- 信号（SIGNAL）
- 出现异常（EXCEPTIONAL）：直接抛出对应异常
6.3 doJoin()实现
private int doJoin() {
Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed;
//线程是ForkJoinWorkerThread
if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) {
//任务执行完,直接返回
if ((s = status) < 0)
return s;
//没有执行完，取出任务执行
if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) {
try {
//执行
completed = exec();
} catch (Throwable rex) {
//记录异常信息，并设置状态为EXCEPTIONAL
return setExceptionalCompletion(rex);
}
//顺利执行完
if (completed)
return setCompletion(NORMAL);
}
return w.joinTask(this);
}else
//等待
return externalAwaitDone();
}
