Fork/Join框架詳解
Fork/Join框架是Java 7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。Fork/Join框架要完成兩件事情：
-
任務分割：首先Fork/Join框架需要把大的任務分割成足夠小的子任務，如果子任務比較大的話還要對子任務進行繼續分割
-
執行任務並合並結果：分割的子任務分別放到雙端隊列里，然后幾個啟動線程分別從雙端隊列里獲取任務執行。子任務執行完的結果都放在另外一個隊列里，啟動一個線程從隊列里取數據，然后合並這些數據
ForkJoinTask
使用Fork/Join框架，首先需要創建一個ForkJoin任務。該類提供了在任務中執行fork和join的機制。通常情況下我們不需要直接集成ForkJoinTask類，只需要繼承它的子類，Fork/Join框架提供了兩個子類:
- RecursiveAction
用於沒有返回結果的任務 - RecursiveTask
用於有返回結果的任務
ForkJoinPool
ForkJoinTask需要通過ForkJoinPool來執行。
任務分割出的子任務會添加到當前工作線程所維護的雙端隊列中，進入隊列的頭部。當一個工作線程的隊列里暫時沒有任務時，它會隨機從其他工作線程的隊列的尾部獲取一個任務(工作竊取算法)；
Fork/Join框架的實現原理
ForkJoinPool由ForkJoinTask數組和ForkJoinWorkerThread數組組成，ForkJoinTask數組負責將存放程序提交給ForkJoinPool，而ForkJoinWorkerThread負責執行這些任務;
ForkJoinTask的fork方法的實現原理
當我們調用ForkJoinTask的fork方法時，程序會把任務放在ForkJoinWorkerThread的pushTask的workQueue中，異步地執行這個任務，然后立即返回結果，代碼如下：
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;
}
pushTask方法把當前任務存放在ForkJoinTask數組隊列里。然后再調用ForkJoinPool的signalWork()方法喚醒或創建一個工作線程來執行任務。代碼如下：
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();
}
}
ForkJoinTask的join方法的實現原理
Join方法的主要作用是阻塞當前線程並等待獲取結果。讓我們一起看看ForkJoinTask的join方法的實現，代碼如下：
public final V join() {
int s;
if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL){
reportException(s);
}
return getRawResult();
}
它首先調用doJoin方法，通過doJoin()方法得到當前任務的狀態來判斷返回什么結果，任務狀態有4種：已完成（NORMAL）、被取消（CANCELLED）、信號（SIGNAL）和出現異常（EXCEPTIONAL）；
如果任務狀態是已完成，則直接返回任務結果；
如果任務狀態是被取消，則直接拋出CancellationException；
如果任務狀態是拋出異常，則直接拋出對應的異常；
doJoin方法的實現，代碼如下：
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();
}
doExec() :
final int doExec() {
int s;
boolean completed;
if ((s = status) >= 0) {
try {
completed = exec();
} catch (Throwable rex) {
return setExceptionalCompletion(rex);
}
if (completed){
s = setCompletion(NORMAL);
}
}
return s;
}
在doJoin()方法里，首先通過查看任務的狀態，看任務是否已經執行完成，如果執行完成，則直接返回任務狀態；如果沒有執行完，則從任務數組里取出任務並執行。如果任務順利執行完成，則設置任務狀態為NORMAL，如果出現異常，則記錄異常，並將任務狀態設置為EXCEPTIONAL
Fork/Join框架的異常處理
ForkJoinTask在執行的時候可能會拋出異常，但是我們沒辦法在主線程里直接捕獲異常，所以ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法來檢查任務是否已經拋出異常或已經被取消了，並且可以通過ForkJoinTask的getException方法獲取異常。代碼如下：
if(task.isCompletedAbnormally())
{
System.out.println(task.getException());
}
getException方法返回Throwable對象，如果任務被取消了則返回CancellationException。如果任務沒有完成或者沒有拋出異常則返回null:
public final Throwable getException() {
int s = status & DONE_MASK;
return ((s >= NORMAL) ? null :
(s == CANCELLED) ? new CancellationException() :
getThrowableException());
}
DEMO
需求：求1+2+3+4的結果
分析：Fork/Join框架首先要考慮到的是如何分割任務，如果希望每個子任務最多執行兩個數的相加，那么我們設置分割的閾值是2，由於是4個數字相加，所以Fork/Join框架會把這個任務fork成兩個子任務，子任務一負責計算1+2，子任務二負責計算3+4，然后再join兩個子任務的結果。因為是有結果的任務，所以必須繼承RecursiveTask，實現代碼如下：
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
/**
*
* @author aikq
* @date 2018年11月21日 20:37
*/
public class ForkJoinTaskDemo {
public static void main(String[] args) {
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
CountTask task = new CountTask(1,4);
Future<Integer> result = pool.submit(task);
try {
System.out.println("計算結果=" + result.get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class CountTask extends RecursiveTask<Integer>{
private static final long serialVersionUID = -7524245439872879478L;
private static final int THREAD_HOLD = 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;
//如果任務足夠小就計算
boolean canCompute = (end - start) <= THREAD_HOLD;
if(canCompute){
for(int i=start;i<=end;i++){
sum += i;
}
}else{
int middle = (start + end) / 2;
CountTask left = new CountTask(start,middle);
CountTask right = new CountTask(middle+1,end);
//執行子任務
left.fork();
right.fork();
//獲取子任務結果
int lResult = left.join();
int rResult = right.join();
sum = lResult + rResult;
}
return sum;
}
}
通過這個例子，我們進一步了解ForkJoinTask，ForkJoinTask與一般任務的主要區別在於它需要實現compute方法，在這個方法里，首先需要判斷任務是否足夠小，如果足夠小就直接執行任務。如果不足夠小，就必須分割成兩個子任務，每個子任務在調用fork方法時，又會進入compute方法，看看當前子任務是否需要繼續分割成子任務，如果不需要繼續分割，則執行當前子任務並返回結果。使用join方法會等待子任務執行完並得到其結果
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