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:
![](http://infoqstatic.com/resource/articles/fork-join-introduction/zh/resources/21.png)
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:
![fj](http://ifeve.com/wp-content/uploads/2013/12/fj.png)
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,我们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,于是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。
工作窃取算法的优点是充分利用线程进行并行计算,并减少了线程间的竞争,其缺点是在某些情况下还是存在竞争,比如双端队列里只有一个任务时。并且消耗了更多的系统资源,比如创建多个线程和多个双端队列。
3. Fork/Join框架的介绍
我们已经很清楚Fork/Join框架的需求了,那么我们可以思考一下,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。
第一步分割任务。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,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:
- ForkJoinTask: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,而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。
- ForkJoinPool :ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行,任务分割出的子任务会添加到当前工作线程所维护的双端队列中,进入队列的头部。当一个工作线程的队列里暂时没有任务时,它会随机从其他工作线程的队列的尾部获取一个任务。
4. 使用Fork/Join框架
让我们通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,如果我们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:
003 |
importjava.util.concurrent.ExecutionException; |
005 |
importjava.util.concurrent.ForkJoinPool; |
007 |
importjava.util.concurrent.Future; |
009 |
importjava.util.concurrent.RecursiveTask; |
011 |
publicclassCountTaskextendsRecursiveTask { |
013 |
privatestaticfinalintTHRESHOLD= 2 ; //阈值 |
019 |
publicCountTask(intstart,intend) { |
029 |
protectedInteger compute() { |
035 |
booleancanCompute = (end-start) <=THRESHOLD; |
039 |
for (inti =start; i <=end; i++) { |
047 |
//如果任务大于阀值,就分裂成两个子任务计算 |
049 |
intmiddle = (start+end) / 2 ; |
051 |
CountTask leftTask =newCountTask(start, middle); |
053 |
CountTask rightTask =newCountTask(middle + 1 ,end); |
063 |
intleftResult=leftTask.join(); |
065 |
intrightResult=rightTask.join(); |
069 |
sum = leftResult + rightResult; |
077 |
publicstaticvoidmain(String[] args) { |
079 |
ForkJoinPool forkJoinPool =newForkJoinPool(); |
081 |
//生成一个计算任务,负责计算1+2+3+4 |
083 |
CountTask task =newCountTask( 1 , 4 ); |
087 |
Future result = forkJoinPool.submit(task); |
091 |
System.out.println(result.get()); |
093 |
} catch (InterruptedException e) { |
095 |
} catch (ExecutionException e) { |
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:
1 |
public final ForkJoinTask fork() { |
2 |
((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()) |
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:
01 |
final void pushTask(ForkJoinTask t) { |
02 |
ForkJoinTask[] q; int s, m; |
03 |
if ((q = queue) != null ) { // ignore if queue removed |
04 |
long u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1 )) << ASHIFT) + ABASE; |
05 |
UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t); |
06 |
queueTop = s + 1 ; // or use putOrderedInt |
07 |
if ((s -= queueBase) <= 2 ) |
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:
01 |
public final V join() { |
02 |
if (doJoin() != NORMAL) |
03 |
return reportResult(); |
05 |
return getRawResult(); |
07 |
private V reportResult() { |
09 |
if ((s = status) == CANCELLED) |
10 |
throw new CancellationException(); |
11 |
if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != null ) |
12 |
UNSAFE.throwException(ex); |
13 |
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:
01 |
private int doJoin() { |
02 |
Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed; |
03 |
if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) { |
06 |
if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask( this )) { |
09 |
} catch (Throwable rex) { |
10 |
return setExceptionalCompletion(rex); |
13 |
return setCompletion(NORMAL); |
15 |
return w.joinTask( this ); |
18 |
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。