Fork/Join框架
一、概念
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。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。
Fork/Join特点：
（1）ForkJoinPool 不是为了替代 ExecutorService，而是它的补充，在某些应用场景下性能比 ExecutorService 更好。
（2）ForkJoinPool 主要用于实现“分而治之”的算法，特别是分治之后递归调用的函数，例如 quick sort 等。
（3） ForkJoinPool 最适合的是计算密集型的任务，如果存在 I/O，线程间同步，sleep() 等会造成线程长时间阻塞的情况时，最好配合使用 ManagedBlocker。
二、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。
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。
（1） ForkJoinPool 的每个工作线程都维护着一个工作队列（WorkQueue），这是一个双端队列（Deque），里面存放的对象是任务（ForkJoinTask）。
（2）每个工作线程在运行中产生新的任务（通常是因为调用了fork()）时，会放入工作队列的队尾，并且工作线程在处理自己的工作队列时，使用的是 LIFO 方式，也就是说每次从队尾取出任务来执行。
（3）每个工作线程在处理自己的工作队列同时，会尝试窃取一个任务（或是来自于刚刚提交到 pool 的任务，或是来自于其他工作线程的工作队列），窃取的任务位于其他线程的工作队列的队首，也就是说工作线程在窃取其他工作线程的任务时，使用的是FIFO 方式。
（4） 在遇到 join() 时，如果需要 join 的任务尚未完成，则会先处理其他任务，并等待其完成。
（5）在既没有自己的任务，也没有可以窃取的任务时，进入休眠。
三、fork/join框架的设计
我们已经很清楚Fork/Join框架的需求了，那么可以思考一下，如果让我们来设计一个Fork/Join框架，该如何设计？
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。
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。
（1）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。(比如写数据到磁盘，然后就退出了。 一个RecursiveAction可以把自己的工作分割成更小的几块， 这样它们可以由独立的线程或者CPU执行。我们可以通过继承来实现一个RecursiveAction)
- RecursiveTask ：用于有返回结果的任务。(可以将自己的工作分割为若干更小任务，并将这些子任务的执行合并到一个集体结果。 可以有几个水平的分割和合并)
（2）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。
四、Fork/Join框架的使用
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。
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
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。
五、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。
六、Fork/Join框架原理
1、ForkJoinPool构造函数，其完整构造方法如下 ：
private ForkJoinPool(int parallelism,
ForkJoinWorkerThreadFactory factory,
UncaughtExceptionHandler handler,
int mode,
String workerNamePrefix)
{
this.workerNamePrefix = workerNamePrefix;
this.factory = factory;
this.ueh = handler;
this.config = (parallelism & SMASK) | mode;
long np = (long)(parallelism); // offset ctl counts
this.ctl = ((np << AC_SHIFT) & AC_MASK) | ((np << TC_SHIFT) &
TC_MASK);
}
参数说明：
①parallelism：并行度（ the parallelism level），默认情况下跟我们机器的cpu个数保持一致，使用 Runtime.getRuntime().availableProcessors()可以得到我们机器运行时可用的CPU个数。
②factory：创建新线程的工厂（ the factory for creating new threads）。默认情况下使用ForkJoinWorkerThreadFactory defaultForkJoinWorkerThreadFactory。
③handler：线程异常情况下的处理器（Thread.UncaughtExceptionHandlerhandler），该处理器在线程执行任务时由于某些无法预料到的错误而导致任务线程中断时进行一些处理，默认情况为null。
④asyncMode：这个参数要注意，在ForkJoinPool中，每一个工作线程都有一个独立的任务队列，asyncMode表示工作线程内的任务队列是采用何种方式进行调度，可以是先进先出FIFO，也可以是后进先出LIFO。如果为true，则线程池中的工作线程则使用先进先出方式进行任务调度，默认情况下是false。
2、ForkJoinTask fork 方法
fork() 做的工作只有一件事，既是把任务推入当前工作线程的工作队列里。可以参看以下的源代码：
public final ForkJoinTask<V> fork() {
Thread t;
if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
else
ForkJoinPool.common.externalPush(this);
return this;
}
3、ForkJoinTask join 方法
join() 的工作则复杂得多，也是 join() 可以使得线程免于被阻塞的原因——不像同名的 Thread.join()。
（1） 检查调用 join() 的线程是否是 ForkJoinThread 线程。如果不是（例如 main 线程），则阻塞当前线程，等待任务完成。如果是，则不阻塞。
（2）查看任务的完成状态，如果已经完成，直接返回结果。
（3）如果任务尚未完成，但处于自己的工作队列内，则完成它。
（4）如果任务已经被其他的工作线程偷走，则窃取这个小偷的工作队列内的任务（以 FIFO 方式），执行，以期帮助它早日完成欲 join 的任务。
（5）如果偷走任务的小偷也已经把自己的任务全部做完，正在等待需要 join 的任务时，则找到小偷的小偷，帮助它完成它的任务。
（6）递归地执行第5步。将上述流程画成序列图的话就是这个样子。
4、ForkJoinPool.submit 方法
public <T> ForkJoinTask<T> submit(ForkJoinTask<T> task) {
if (task == null)
throw new NullPointerException();
//提交到工作队列
externalPush(task);
return task;
}
ForkJoinPool 自身拥有工作队列，这些工作队列的作用是用来接收由外部线程（非 ForkJoinThread 线程）提交过来的任务，而这些工作队列被称为 submitting queue 。submit() 和 fork() 其实没有本质区别，只是提交对象变成了 submitting queue而已（还有一些同步，初始化的操作）。submitting queue 和其他 workqueue 一样，是工作线程”窃取“的对象，因此当其中的任务被一个工作线程成功窃取时，就意味着提交的任务真正开始进入执行阶段。
