【搞定Java併發程式設計】第23篇：Fork/Join 框架詳解
上一篇：Java中的阻塞佇列 BlockingQueue 詳解
本文目錄：
6.1、ForkJoinTask 的 fork 方法實現原理
6.2、ForkJoinTask 的 join 方法實現原理
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本文將會講解Fork/Join框架的基本原理、演算法、設計方式、應用與實現等。
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。
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；
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 框架的設計
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：
- 1、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。
- 2、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：
package com.zju.Fork_Join;
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 int THRESHOLD = 2; // 設定閾值為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;
// 如果任務小於閾值則直接計算
boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
if(canCompute){
for(int i = start; i <= end; i++){
sum += i;
}
}else{
// 如果任務數大於設定的閾值，就繼續拆分為兩個小的子任務
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，並得到其結果
int leftResult = leftTask.join();
int rightResult = rightTask.join();
// 合併子任務
sum = leftResult + rightResult;
}
return sum;
}
public static void main(String[] args) {
ForkJoinPool forkJoinPoll = new ForkJoinPool();
// 生成一個計算任務
CountTask task = new CountTask(1, 4);
// 執行一個任務
Future<Integer> result = forkJoinPoll.submit(task);
try {
System.out.println(result.get());
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
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、Frok/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。
6.1、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<V> 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();
}
}6.2、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。
上面的內容來自《Java併發程式設計的藝術》一書 。下面來進行 Fork/Join 的原始碼講解。
Fork/Join其實就是一種利用多執行緒來實現“分治演算法”的並行框架。
分治的基本思路就是：把一個大的任務分成若干個子任務，這些子任務分別計算，最後再Merge出最終結果。這個過程通常都會用到遞迴。