聊聊併發(八)——Fork/Join框架介紹
本文首發於InfoQ
1. 什麼是Fork/Join框架
Fork/Join框架是Java7提供了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,最終彙總每個小任務結果後得到大任務結果的框架。
我們再通過Fork和Join這兩個單詞來理解下Fork/Join框架,Fork就是把一個大任務切分為若干子任務並行的執行,Join就是合併這些子任務的執行結果,最後得到這個大任務的結果。比如計算1+2+。。+10000,可以分割成10個子任務,每個子任務分別對1000個數進行求和,最終彙總這10個子任務的結果。Fork/Join的執行流程圖如下:
2. 工作竊取演算法
工作竊取(work-stealing)演算法是指某個執行緒從其他佇列裡竊取任務來執行。工作竊取的執行流程圖如下:
那麼為什麼需要使用工作竊取演算法呢?假如我們需要做一個比較大的任務,我們可以把這個任務分割為若干互不依賴的子任務,為了減少執行緒間的競爭,於是把這些子任務分別放到不同的佇列裡,併為每個佇列建立一個單獨的執行緒來執行佇列裡的任務,執行緒和佇列一一對應,比如A執行緒負責處理A佇列裡的任務。但是有的執行緒會先把自己佇列裡的任務幹完,而其他執行緒對應的佇列裡還有任務等待處理。幹完活的執行緒與其等著,不如去幫其他執行緒幹活,於是它就去其他執行緒的佇列裡竊取一個任務來執行。而在這時它們會訪問同一個佇列,所以為了減少竊取任務執行緒和被竊取任務執行緒之間的競爭,通常會使用雙端佇列,被竊取任務執行緒永遠從雙端佇列的頭部拿任務執行,而竊取任務的執行緒永遠從雙端佇列的尾部拿任務執行。
工作竊取演算法的優點是充分利用執行緒進行平行計算,並減少了執行緒間的競爭,其缺點是在某些情況下還是存在競爭,比如雙端佇列裡只有一個任務時。並且消耗了更多的系統資源,比如建立多個執行緒和多個雙端佇列。
3. Fork/Join框架的介紹
我們已經很清楚Fork/Join框架的需求了,那麼我們可以思考一下,如果讓我們來設計一個Fork/Join框架,該如何設計?這個思考有助於你理解Fork/Join框架的設計。
第一步分割任務。首先我們需要有一個fork類來把大任務分割成子任務,有可能子任務還是很大,所以還需要不停的分割,直到分割出的子任務足夠小。
第二步執行任務併合並結果。分割的子任務分別放在雙端佇列裡,然後幾個啟動執行緒分別從雙端佇列裡獲取任務執行。子任務執行完的結果都統一放在一個佇列裡,啟動一個執行緒從佇列裡拿資料,然後合併這些資料。
Fork/Join使用兩個類來完成以上兩件事情:
- ForkJoinTask:我們要使用ForkJoin框架,必須首先建立一個ForkJoin任務。它提供在任務中執行fork()和join()操作的機制,通常情況下我們不需要直接繼承ForkJoinTask類,而只需要繼承它的子類,Fork/Join框架提供了以下兩個子類:
- 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新增到當前工作執行緒所維護的雙端佇列中,進入佇列的頭部。當一個工作執行緒的佇列裡暫時沒有任務時,它會隨機從其他工作執行緒的佇列的尾部獲取一個任務。
4. 使用Fork/Join框架
讓我們通過一個簡單的需求來使用下Fork/Join框架,需求是:計算1+2+3+4的結果。
使用Fork/Join框架首先要考慮到的是如何分割任務,如果我們希望每個子任務最多執行兩個數的相加,那麼我們設定分割的閾值是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,然後再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,實現程式碼如下:
packagefj; importjava.util.concurrent.ExecutionException; importjava.util.concurrent.ForkJoinPool; importjava.util.concurrent.Future; importjava.util.concurrent.RecursiveTask; publicclassCountTaskextendsRecursiveTask { privatestaticfinalintTHRESHOLD= 2;//閾值 privateintstart; privateintend; publicCountTask(intstart,intend) { this.start= start; this.end= end; } @Override protectedInteger compute() { intsum = 0; //如果任務足夠小就計算任務 booleancanCompute = (end-start) <=THRESHOLD; if(canCompute) { for(inti =start; i <=end; i++) { sum += i; } }else{ //如果任務大於閥值,就分裂成兩個子任務計算 intmiddle = (start+end) / 2; CountTask leftTask =newCountTask(start, middle); CountTask rightTask =newCountTask(middle + 1,end); //執行子任務 leftTask.fork(); rightTask.fork(); //等待子任務執行完,並得到其結果 intleftResult=leftTask.join(); intrightResult=rightTask.join(); //合併子任務 sum = leftResult + rightResult; } returnsum; } publicstaticvoidmain(String[] args) { ForkJoinPool forkJoinPool =newForkJoinPool(); //生成一個計算任務,負責計算1+2+3+4 CountTask task =newCountTask(1, 4); //執行一個任務 Future result = forkJoinPool.submit(task); try{ System.out.println(result.get()); }catch(InterruptedException e) { }catch(ExecutionException e) { } } }
通過這個例子讓我們再來進一步瞭解ForkJoinTask,ForkJoinTask與一般的任務的主要區別在於它需要實現compute方法,在這個方法裡,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,每個子任務在呼叫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孫任務,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。
5. Fork/Join框架的異常處理
ForkJoinTask在執行的時候可能會丟擲異常,但是我們沒辦法在主執行緒裡直接捕獲異常,所以ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法來檢查任務是否已經丟擲異常或已經被取消了,並且可以通過ForkJoinTask的getException方法獲取異常。使用如下程式碼:
if(task.isCompletedAbnormally()) { System.out.println(task.getException()); }
getException方法返回Throwable物件,如果任務被取消了則返回CancellationException。如果任務沒有完成或者沒有丟擲異常則返回null。
6. Fork/Join框架的實現原理
ForkJoinPool由ForkJoinTask陣列和ForkJoinWorkerThread陣列組成,ForkJoinTask陣列負責存放程式提交給ForkJoinPool的任務,而ForkJoinWorkerThread陣列負責執行這些任務。
ForkJoinTask的fork方法實現原理。當我們呼叫ForkJoinTask的fork方法時,程式會呼叫ForkJoinWorkerThread的pushTask方法非同步的執行這個任務,然後立即返回結果。程式碼如下:
public final ForkJoinTask fork() { ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()) .pushTask(this); return this; }
pushTask方法把當前任務存放在ForkJoinTask 陣列queue裡。然後再呼叫ForkJoinPool的signalWork()方法喚醒或建立一個工作執行緒來執行任務。程式碼如下:
final void pushTask(ForkJoinTask t) { ForkJoinTask[] q; int s, m; if ((q = queue) != null) { // ignore if queue removed long u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1)) << ASHIFT) + ABASE; UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t); queueTop = s + 1; // or use putOrderedInt if ((s -= queueBase) <= 2) pool.signalWork(); else if (s == m) growQueue(); } }
ForkJoinTask的join方法實現原理。Join方法的主要作用是阻塞當前執行緒並等待獲取結果。讓我們一起看看ForkJoinTask的join方法的實現,程式碼如下:
public final V join() { if (doJoin() != NORMAL) return reportResult(); else return getRawResult(); } private V reportResult() { int s; Throwable ex; if ((s = status) == CANCELLED) throw new CancellationException(); if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != null) UNSAFE.throwException(ex); return getRawResult(); }
首先,它呼叫了doJoin()方法,通過doJoin()方法得到當前任務的狀態來判斷返回什麼結果,任務狀態有四種:已完成(NORMAL),被取消(CANCELLED),訊號(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,則直接丟擲CancellationException。
- 如果任務狀態是丟擲異常,則直接丟擲對應的異常。
讓我們再來分析下doJoin()方法的實現程式碼:
private int doJoin() { Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed; if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) { if ((s = status) < 0) return s; if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) { try { completed = exec(); } catch (Throwable rex) { return setExceptionalCompletion(rex); } if (completed) return setCompletion(NORMAL); } return w.joinTask(this); } else return externalAwaitDone(); }
在doJoin()方法裡,首先通過檢視任務的狀態,看任務是否已經執行完了,如果執行完了,則直接返回任務狀態,如果沒有執行完,則從任務數組裡取出任務並執行。如果任務順利執行完成了,則設定任務狀態為NORMAL,如果出現異常,則紀錄異常,並將任務狀態設定為EXCEPTIONAL。
7. 參考資料
- JDK1.7原始碼
- http://ifeve.com/fork-join-5/