JAVA並行框架：Fork/Join

一、背景

雖然目前處理器核心數已經發展到很大數目，但是按任務並發處理並不能完全充分的利用處理器資源，因為一般的應用程序沒有那么多的並發處理任務。基於這種現狀，考慮把一個任務拆分成多個單元，每個單元分別得到執行，最后合並每個單元的結果。

Fork/Join框架是JAVA7提供的一個用於並行執行任務的框架，是一個把大任務分割成若干個小任務，最終匯總每個小任務結果后得到大任務結果的框架。

二、工作竊取算法

指的是某個線程從其他隊列里竊取任務來執行。使用的場景是一個大任務拆分成多個小任務，為了減少線程間的競爭，把這些子任務分別放到不同的隊列中，並且每個隊列都有單獨的線程來執行隊列里的任務，線程和隊列一一對應。但是會出現這樣一種情況：A線程處理完了自己隊列的任務，B線程的隊列里還有很多任務要處理。A是一個很熱情的線程，想過去幫忙，但是如果兩個線程訪問同一個隊列，會產生競爭，所以A想了一個辦法，從雙端隊列的尾部拿任務執行。而B線程永遠是從雙端隊列的頭部拿任務執行（任務是一個個獨立的小任務），這樣感覺A線程像是小偷在竊取B線程的東西一樣。

工作竊取算法的優點：

         利用了線程進行並行計算，減少了線程間的競爭。

工作竊取算法的缺點：

         1、如果雙端隊列中只有一個任務時，線程間會存在競爭。

         2、竊取算法消耗了更多的系統資源，如會創建多個線程和多個雙端隊列。

三、框架設計

 Fork/Join中兩個重要的類：

1、ForkJoinTask：使用該框架，需要創建一個ForkJoin任務，它提供在任務中執行fork和join操作的機制。一般情況下，我們並不需要直接繼承ForkJoinTask類，只需要繼承它的子類，它的子類有兩個：

a、RecursiveAction:用於沒有返回結果的任務。

b、RecursiveTask:用於有返回結果的任務。

2、ForkJoinPool：任務ForkJoinTask需要通過ForkJoinPool來執行。

package test;

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 long serialVersionUID = 1L;
    //閾值
    private static final int THRESHOLD = 2;
    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;
        //判斷任務是否足夠小
        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        if(canCompute)
        {
            //如果小於閾值，就進行運算
            for(int i=start; i<=end; i++)
            {
                sum += i;
            }
        }
        else
        {
            //如果大於閾值，就再進行任務拆分
            int middle = (start + end)/2;
            CountTask leftTask = new  CountTask(start,middle);
            CountTask rightTask = new  CountTask(middle+1,end);
            //執行子任務
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();
            //等待子任務執行完，並得到執行結果
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();
            //合並子任務
            sum = leftResult + rightResult;
            
        }
        return sum;
    }
    
    public static void main(String[] args)
    {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        CountTask task = new CountTask(1,6);
        //執行一個任務
        Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
        try
        {
            System.out.println(result.get());
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        catch (ExecutionException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        
    }
    
}

這個程序是將1+2+3+4+5+6拆分成1+2；3+4；5+6三個部分進行子程序進行計算后合並。

四、源碼解讀

1、leftTask.fork();

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;
    }

fork方法內部會先判斷當前線程是否是ForkJoinWorkerThread的實例，如果滿足條件，則將task任務push到當前線程所維護的雙端隊列中。

 final void push(ForkJoinTask<?> task) {
            ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;
            int b = base, s = top, n;
            if ((a = array) != null) {    // ignore if queue removed
                int m = a.length - 1;     // fenced write for task visibility
                U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);
                U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);
                if ((n = s - b) <= 1) {
                    if ((p = pool) != null)
                        p.signalWork(p.workQueues, this);
                }
                else if (n >= m)
                    growArray();
            }
        }

在push方法中，會調用ForkJoinPool的signalWork方法喚醒或創建一個工作線程來異步執行該task任務。

2、

 public final V join() {
        int s;
        if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
            reportException(s);
        return getRawResult();
    }

通過doJoin方法返回的任務狀態來判斷，如果不是NORMAL，則拋異常：

 private void reportException(int s) {
        if (s == CANCELLED)
            throw new CancellationException();
        if (s == EXCEPTIONAL)
            rethrow(getThrowableException());
    }

來看下doJoin方法：

private int doJoin() {
        int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;
        return (s = status) < 0 ? s :
            ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?
            (w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).
            tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s :
            wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :
            externalAwaitDone();
    }

先查看任務狀態，如果已經完成，則直接返回任務狀態；如果沒有完成，則從任務隊列中取出任務並執行。