并行程序设计模式--Master-Worker模式

• 简介

　　Master-Worker模式是常用的并行设计模式。它的核心思想是，系统有两个进程协议工作：Master进程和Worker进程。Master进程负责接收和分配任务，Worker进程负责处理子任务。当各个Worker进程将子任务处理完后，将结果返回给Master进程，由Master进行归纳和汇总，从而得到系统结果。处理过程如下图：

Master-Worker模式的好处是，它能将大任务分解成若干个小任务，并发执行，从而提高系统性能。而对于系统请求者Client来说，任务一旦提交，Master进程就会立刻分配任务并立即返回，并不会等系统处理完全部任务再返回，其处理过程是异步的。

• Master-Worker模式结构

　　Master-Worker模式的主要结构如下图：

　　如上图所示，Master进程是主要进程，它维护着一个Worker进程队列、子任务队列和子结果集，Worker进程中的Worker进程不断的从任务队列中提取要处理的子任务，并将子任务的处理结果放入到子结果集中。

　　在上图中，Master：用于任务的分配和最终结果的合并；Worker：用于实际处理一个任务；客户端进程：用于启动系统，调度开启Master。

• Master-Worker模式代码实现

　　Master代码实现：

public class Master {
    //任务队列
    protected Queue<Object> workQueue = new ConcurrentLinkedQueue<Object>();
    //worker进程队列
    protected Map<String, Thread> threadMap = new HashMap<String, Thread>();
    //结果集
    protected Map<String, Object> resultMap = new HashMap<String,Object>();
    
    //是否所有的子任务都结束
    
    public boolean isComplete(){
        for(Map.Entry<String, Thread> entry:threadMap.entrySet()){
            if(entry.getValue().getState()!=Thread.State.TERMINATED){
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

    public Master(Worker worker,int countWorker) {
        worker.setResultMap(resultMap);
        worker.setWorkQueue(workQueue);
        for (int i = 0; i < countWorker; i++) {
            threadMap.put(Integer.toString(i), new Thread(worker,Integer.toString(i)));
        }
    }
    
    //提交任务
    
    public void submit(Object obj){
        workQueue.add(obj);
        //System.out.println(obj.toString());
    }

    
    
    //返回子任务结果集
    public Map<String, Object> getResultMap() {
        return resultMap;
    }
    
    //开始运行所有worker进程，并进行处理
    
    public void execute(){
        for(Map.Entry<String, Thread> entry:threadMap.entrySet()){
            entry.getValue().start();
        }
    }
    
}

　　Worker代码实现：

public class Worker implements Runnable {
    //任务队列
    protected Queue<Object> workQueue;
    //子任务结果集
    protected Map<String,Object> resultMap = new HashMap<String, Object>();
    
    
    public void setWorkQueue(Queue<Object> workQueue) {
        this.workQueue = workQueue;
    }
    public void setResultMap(Map<String, Object> resultMap) {
        this.resultMap = resultMap;
    }

    public Object handle(Object input){
        return input;
    }
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            Object input = workQueue.poll();
            
            if(null==input) break;
            //处理子任务
            Object re = handle(input);
            resultMap.put(Integer.toString(input.hashCode()),re);
            //System.out.println(re.toString());
        }
    }

}

　　Master-Worker模式是一种串行任务并行化的方法，被分解的子任务在系统中可以并行处理。同时，如果有需要，Master进程不需要所有子任务都执行完成，就可以根据已有的部分结果集计算最终的结果。

　　现在以上面的Master-Worker实现为基础，来实现计算1-100的立方和。计算将被分解为100个子任务，每个子任务仅用于计算单独的立方和。Master产生固定数目Worker，来处理这些子任务。Worker不断的从任务集合中取出这些计算立方和的子任务，并将计算结果放入到Master的结果集中。Master负责将所有Worker的任务结果进行累加，从而产生最终的立方和。整个计算过程，Worker和Master的运算也是完全异步的，Master进程不必等所有的Worker进程都执行完成，就可以进行求和操作了。也就是所，Master在获取部分子任务的结果集时，就可以对最终结果进行计算了，从而提高了系统的并发性和吞吐量。

　　计算子任务的实现如下：

public class PlusWorker extends Worker {

    @Override
    public Object handle(Object input) {
        Integer i = (Integer) input;
        return i*i*i;
    }
    
}

　　客户端代码如下：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Master m = new Master(new PlusWorker(), 5);//启动五个线程处理
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            m.submit(i);
        }
        m.execute();
        int re = 0;
        Map<String, Object> resultMap = m.getResultMap();
        while(resultMap.size()>0||!m.isComplete()){
            Set<String> keys = resultMap.keySet();
            String key =  null;
            for(String k:keys){
                key=k;
                break;
            }
            Integer i = null;
            if(key != null){
                i = (Integer) resultMap.get(key);
            }
            if(i!=null){
                re+=i;//并行计算结果集
            }
            
            if(key!=null){
                resultMap.remove(key);//将计算完成的结果移除
            }
        }
        
        System.out.println(re);
    }
}

　　通过Master创建5个Worker工作线程和PlusWorker工作实例。提交完100个任务后，就开始计算子任务。这些子任务，由生成的5个Worker线程共同完成。Master并不等所有的子任务都计算完成，就开始访问子结果集进行最终结果的计算，直到子结果集中所有的数据都被处理，并且5个活跃的Worker线程全部终止，才能求出最终结果。