ForkJoin框架

本是古典何须时尚 2022-08-28 13:46 265阅读 0赞

## 介绍 ##

Fork/Join 是 JDK 1.7 加入的新的线程池实现，它体现的是一种分治思想，适用于能够进行任务拆分的 cpu 密集型运算

Fork/Join它可以将一个大的任务拆分成多个子任务进行并行处理，最后将子任务结果合并成最后的计算结果，并进行输出。

Fork/Join框架要完成两件事情：

Fork：把一个复杂任务进行分拆，大事化小

Join：把分拆任务的结果进行合并

Fork/Join 在分治的基础上加入了多线程，可以把每个任务的分解和合并交给不同的线程来完成，进一步提升了运  
算效率  
Fork/Join 默认会创建与 cpu 核心数大小相同的线程池

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1.  任务分割：首先Fork/Join框架需要把大的任务分割成足够小的子任务，如果子任务比较大的话还要对子任务进行继续分割
2.  执行任务并合并结果：分割的子任务分别放到双端队列里，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放在另外一个队列里，启动一个线程从队列里取数据，然后合并这些数据。  
    在Java的Fork/Join框架中，使用两个类完成上述操作  
    • ForkJoinTask:我们要使用Fork/Join框架，首先需要创建一个ForkJoin任务。该类提供了在任务中执行fork和join的机制。通常情况下我们不需要直接集成ForkJoinTask类，只需要继承它的子类，Fork/Join框架提供了两个子类：  
    a.RecursiveAction：用于没有返回结果的任务  
    b.RecursiveTask:用于有返回结果的任务  
    • ForkJoinPool:ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行  
    • RecursiveTask: 继承后可以实现递归(自己调自己)调用的任务

## Fork/Join框架的实现原理 ##

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责将存放以及将程序提交给ForkJoinPool，而ForkJoinWorkerThread负责执行这些任务。

## Fork方法 ##

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### Fork方法的实现原理： ###

当我们调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会把任务放在ForkJoinWorkerThread的pushTask的workQueue中，异步地执行这个任务，然后立即返回结果

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方法把当前任务存放在ForkJoinTask数组队列里。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：

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();
                }
            }

### join方法 ###

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：

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

它首先调用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4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

让我们分析一下doJoin方法的实现

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;
        }
    ....
    
    
    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();
    }
    ...

在doJoin()方法流程如下:

1.  首先通过查看任务的状态，看任务是否已经执行完成，如果执行完成，则直接返回任务状态；
2.  如果没有执行完，则从任务数组里取出任务并执行。
3.  如果任务顺利执行完成，则设置任务状态为NORMAL，如果出现异常，则记录异常，并将任务状态设置为EXCEPTIONAL。

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。  
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。

### 案例 ###

场景: 生成一个计算任务，计算1+2+3…+100,

每10个数切分一个子任务

提交给 Fork/Join 线程池的任务需要继承 RecursiveTask（有返回值）或 RecursiveAction（没有返回值），例如下  
面定义了一个对 1~100之间的整数求和的任务

package com.dongguo.forkjoin;
    
    import java.util.concurrent.ExecutionException;
    import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
    import java.util.concurrent.ForkJoinTask;
    import java.util.concurrent.RecursiveTask;
    
    /** * @author Dongguo * @date 2021/8/24 0024-22:14 * @description: */
    
    class MyTask extends RecursiveTask<Integer> { 
    
        private static final Integer VALUE = 10;
        private int begin;
        private int end;
        private int result;
    
        public MyTask(int begin, int end) { 
            this.begin = begin;
            this.end = end;
        }
    
        //拆分合并
        @Override
        protected Integer compute() { 
            if ((end - begin) <= VALUE) { 
                //不用拆分 相加操作
                for (int i = begin; i <= end; i++) { 
                    result = result + i;
                }
            } else { 
                //进行拆分
                int middle = (begin + end) / 2;
                //拆分左边
                MyTask task1 = new MyTask(begin, middle);
                //拆分右边
                MyTask task2 = new MyTask(middle + 1, end);
                task1.fork();
                task2.fork();
                //合并
                result = task1.join() + task2.join();
            }
            return result;
        }
    }
    
    public class ForkJoinDemo { 
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { 
            //创建MyTask对象
            MyTask myTask = new MyTask(0,100);
            //创建分之合并池对象
            ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
            ForkJoinTask<Integer> forkJoinTask = forkJoinPool.submit(myTask);
            Integer result = forkJoinTask.get();
            System.out.println(result);
            //关闭池对象
            forkJoinPool.shutdown();
    
    
        }
    }
    运行结果：
    5050

[image-20210824220141760]: /images/20220828/a437ab09013241e58da69d76d320690a.png
[image-20210824220330729]: /images/20220828/e42917ecdcf247d3992967f44e552217.png
[image-20210824220339584]: /images/20220828/38cdd56accbf41449f87d3f3ea42698a.png