ForkJoin框架-蒲公英云

介绍

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

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
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

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:

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；
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，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

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