ForkJoinPool

有一种基本算法：分治。其基本思路 是：将一个大的任务分为若干个子任务，这些子任务分别计算，然后 合并出最终结果，在这个过程中通常会用到递归。

而ForkJoinPool就是JDK7提供的一种“分治算法”的多线程并行计算框架。Fork意为分叉，Join意为合并，一分一合，相互配合，形成分治算法。

此外，也可以将ForkJoinPool看作一个单机版的Map/Reduce，只不过这里的并行不是多台机器并行计算，而是多个线程并行计算。 相比于ThreadPoolExecutor，ForkJoinPool可以更好地实现计算的负载均衡，提高资源利用率。

假设有5个任务，在ThreadPoolExecutor中有5个线程并行执行，其中一个任务的计算量很大，其余4个任务 的计算量很小，这会导致1个线程很忙，其他4个线程则处于空闲状态。而利用ForkJoinPool，可以把大的任务拆分成很多小任务，然后这些小任务被所有的线程执行，从而实现任务计算的负载均衡。

 

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。

那么，为什么需要使用工作窃取算法呢？假如我们需要做一个比较大的任务，可以把这个任务分割为若干互不依赖的子任务，为了减少线程间的竞争，把这些子任务分别放到不同的队列里，并为每个队列创建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。比如A线程负责处理A队列里的任务。但是，有的线程会先把自己队列里的任务干完，而其他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，不如去帮其他线程干活，于是它就去其他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，所以为了减少窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争，通常会使用双端队列，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。

 

Fork/Join框架的设计

如果让我们来设计一个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。

步骤1 分割任务。首先我们需要有一个fork类来把大任务分割成子任务，有可能子任务还是很大，所以还需要不停地分割，直到分割出的子任务足够小。

步骤2 执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列里，然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，然后合并这些数据。

Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情。

①ForkJoinTask：我们要使用ForkJoin框架，必须首先创建一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行fork()和join()操作的机制。通常情况下，我们不需要直接继承ForkJoinTask类，只需要继承它的子类，Fork/Join框架提供了以下两个子类。

❑ RecursiveAction：用于没有返回结果的任务。

❑ RecursiveTask：用于有返回结果的任务。

②ForkJoinPool：ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行。

 

使用Fork/Join框架

让我们通过一个简单的需求来使用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，如果希望每个子任务最多执行两个数的相加，那么我们设置分割的阈值是2，由于是4个数字相加，所以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，然后再join两个子任务的结果。因为是有结果的任务，所以必须继承RecursiveTask，实现代码如下。

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public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {     private static final int THRESHOLD = 2; // 阈值     private int              start;     private int              end;     public CountTask(int start, int end) {         this.start = start;         this.end = end;     }     @Override     protected Integer compute() {         int sum = 0;         // 如果任务足够小就计算任务         boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;         if (canCompute) {             for (int i = start; i <= end; i++) {                 sum += i;             }         } else {             // 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;         }         return sum;     }     public static void main(String[] args) {         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         Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);         try {             System.out.println(result.get());         } catch (InterruptedException e) {         } catch (ExecutionException e) {         }     } }

通过这个例子，我们进一步了解ForkJoinTask，ForkJoinTask与一般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子任务，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。

 

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。

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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。

 

 

参考: Java并发编程的艺术 6.4.6 Fork/Join框架的实现原理