Java并发编程与技术内幕：ForkJoin 框架初探

深藏阁楼爱情的钟 2021-09-15 23:02 318阅读 0赞

一、ForkJoin介绍

ForkJoin是Java7提供的原生多线程并行处理框架，其基本思想是将大人物分割成小任务，最后将小任务聚合起来得到结果。它非常类似于HADOOP提供的MapReduce框架，只是MapReduce的任务可以针对集群内的所有计算节点，可以充分利用集群的能力完成计算任务。ForkJoin更加类似于单机版的MapReduce。

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二、工作窃取

工作窃取(work-stealing)算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。

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一个大任务分割为若干个互不依赖的子任务，为了减少线程间的竞争，把这些子任务分别放到不同的队列里，并未每个队列创建一个单独的线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应。比如线程1负责处理1队列里的任务，2线程负责2队列的。但是有的线程会先把自己队列里的任务干完，而其他线程对应的队列里还有任务待处理。干完活的线程与其等着，不如帮其他线程干活，于是它就去其他线程的队列里窃取一个任务来执行。而在这时它们可能会访问同一个队列，所以为了减少窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争，通常会使用双端队列，被窃取任务线程永远从双端队列的头部拿任务执行，而窃取任务线程永远从双端队列的尾部拿任务执行。

三、使用介绍

Java提供了ForkJoinPool来支持将一个任务拆分成多个“小任务”并行计算，再把多个“小任务”的结果合成总的计算结果。

第一步分割任务。首先我们需要有一个fork类来把大任务分割成子任务，有可能子任务还是很大，所以还需要不停的分割，直到分割出的子任务足够小。

第二步执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列里，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统一放在一个队列里，启动一个线程从队列里拿数据，然后合并这些数据。

Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情：

*  ForkJoinTask：我们要使用ForkJoin框架，必须首先创建一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行fork()和join()操作的机制，通常情况下我们不需要直接继承ForkJoinTask类，而只需要继承它的子类，Fork/Join框架提供了以下两个子类：

*   *  RecursiveAction：用于没有返回结果的任务。
     *  RecursiveTask ：用于有返回结果的任务。

*  ForkJoinPool ：ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行，任务分割出的子任务会添加到当前工作线程所维护的双端队列中，进入队列的头部。当一个工作线程的队列里暂时没有任务时，它会随机从其他工作线程的队列的尾部获取一个任务。

实例1使用recursiveTask

public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private static final long serialVersionUID = -3611254198265061729L;
    
    public static final int threshold = 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;
    
        //如果任务足够小就计算任务
        boolean canCompute = (end - start) <= threshold;
        if (canCompute) {
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                sum += i;
            }
        } else {
            // 如果任务大于阈值，就分裂成两个子任务计算
            int middle = (start + end) / 2;
            CountTask leftTask = new CountTask(start, middle);
            CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, end);
    
            // 执行子任务
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();
    
            //等待任务执行结束合并其结果
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();
    
            //合并子任务
            sum = leftResult + rightResult;
    
        }
    
        return sum;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkjoinPool = new ForkJoinPool();
    
        //生成一个计算任务，计算1+2+3+4
        CountTask task = new CountTask(1, 100);
    
        //执行一个任务
        Future<Integer> result = forkjoinPool.submit(task);
    
        try {
            System.out.println(result.get());
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e);
        }
    }
    
    }

实例2使用recursiveAction

public class ForkJoinPoolTest {
    /**
     * @param args
     * @throws Exception
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建包含Runtime.getRuntime().availableProcessors()返回值作为个数的并行线程的ForkJoinPool
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        // 提交可分解的PrintTask任务
        forkJoinPool.submit(new PrintTask(0, 200));
        forkJoinPool.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);//阻塞当前线程直到 ForkJoinPool 中所有的任务都执行结束
        // 关闭线程池
        forkJoinPool.shutdown();
    }
    
    }
    
    //RecursiveAction为ForkJoinTask的抽象子类，没有返回值的任务
    class PrintTask extends RecursiveAction {
    // 每个"小任务"最多只打印50个数
    private static final int MAX = 50;
    
    private int start;
    private int end;
    
    PrintTask(int start, int end) {
        this.start = start;
        this.end = end;
    }
    
    @Override
    protected void compute() {
        // 当end-start的值小于MAX时候，开始打印
        if ((end - start) < MAX) {
            for (int i = start; i < end; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value i:"
                        + i);
            }
        } else {
            // 将大任务分解成两个小任务
            int middle = (start + end) / 2;
            PrintTask left = new PrintTask(start, middle);
            PrintTask right = new PrintTask(middle, end);
            // 并行执行两个小任务
            left.fork();
            right.fork();
        }
    }
    }

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