Fork/Join - 并发框架源码解析

妖狐艹你老母 2022-02-26 03:54 176阅读 0赞

## 什么是Fork/Join框架 ##

`Fork/Join`框架是Java7提供了的一个用于并行执行任务的框架， 是一个把大任务分割成若干个小任务，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架。

我们再通过Fork和Join这两个单词来理解下Fork/Join框架，Fork就是把一个大任务切分为若干子任务并行的执行，Join就是合并这些子任务的执行结果，最后得到这个大任务的结果。比如计算1+2+ … ＋10000，可以分割成10个子任务，每个子任务分别对1000个数进行求和，最终汇总这10个子任务的结果。

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## 工作窃取算法 ##

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。工作窃取的运行流程图如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNDA0Mzk1_size_16_color_FFFFFF_t_70]

那么为什么需要使用工作窃取算法呢？假如我们需要做一个比较大的任务，我们可以把这个任务分割为若干互不依赖的子任务，为了减少线程间的竞争，于是把这些子任务分别放到不同的队列里，并为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A线程负责处理A队列里的任务。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等待处理。干完活的线程与其等着，不如去帮其他线程干活，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，而窃取任务的线程永远从双端队列的尾部拿任务执行。

工作窃取算法的优点是充分利用线程进行并行计算，并减少了线程间的竞争，其缺点是在某些情况下还是存在竞争，比如双端队列里只有一个任务时。并且消耗了更多的系统资源，比如创建多个线程和多个双端队列。

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## Fork/Join框架的介绍 ##

我们已经很清楚Fork/Join框架的需求了，那么我们可以思考一下，如果让我们来设计一个Fork/Join框架，该如何设计？这个思考有助于你理解Fork/Join框架的设计。

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。

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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。

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## 使用Fork/Join框架 ##

(`将1...100的求和任务进行拆分`)：

import java.util.concurrent.*;
    
    public class MyForkJoin extends RecursiveTask<Integer>{ 
        private int start;
        private int end;
    
        private static final  int threshold = 2;//阈值
    
        public MyForkJoin(Integer start, Integer end) { 
            this.start = start;
            this.end = end;
        }
    
        /** * 实现计算的方法 * @return */
        @Override
        protected Integer compute() { 
                boolean cancomputed = (end-start)<= threshold;
                int sum = 0;
                if (cancomputed){ 
                    for(int i = start;i <= end; i++){ 
                        sum += i;
                    }
                }else{ 
                    int  middle = (end+start)/2;
                    MyForkJoin leftForkJoin = new MyForkJoin(start,middle);
                    MyForkJoin rightForkJoin = new MyForkJoin(middle+1,end);
                    //执行左右两边的任务
                    leftForkJoin.fork();
                    rightForkJoin.fork();
                    //等待任务执行完毕后，汇总左右两边的结果
                    int left = leftForkJoin.join();
                    int right = rightForkJoin.join();
                    sum = left + right;
                }
    
            return sum;
        }
    
        public  static  void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { 
            ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
            MyForkJoin mfj = new MyForkJoin(1,100);
            Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(mfj);
            System.out.println("result:"+result.get());
       
    }

通过这个例子让我们再来进一步了解ForkJoinTask，ForkJoinTask与一般的任务的主要区别在于它需要实现compute方法，在这个方法里，首先需要判断任务是否足够小，如果足够小就直接执行任务。如果不足够小，就必须分割成两个子任务，每个子任务在调用fork方法时，又会进入compute方法，看看当前子任务是否需要继续分割成孙任务，如果不需要继续分割，则执行当前子任务并返回结果。使用join方法会等待子任务执行完并得到其结果。

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## 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。使用如下代码：

if(task.isCompletedAbnormally())
    { 
        System.out.println(task.getException());
    }

`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。

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## Fork/Join框架的实现原理 ##

`ForkJoinPool`由`ForkJoinTask`数组和`ForkJoinWorkerThread`数组组成，ForkJoinTask数组负责存放程序提交给ForkJoinPool的任务，而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。

ForkJoinTask的fork方法实现原理。当我们调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会调用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法异步的执行这个任务，然后立即返回结果。代码如下：

public final ForkJoinTask fork() { 
            ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())
                .pushTask(this);
            return this;
    }

`pushTask`方法把当前任务存放在ForkJoinTask 数组queue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 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方法实现原理。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() { 
            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，它调用了`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，任务状态有四种：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。  
让我们再来分析下doJoin()方法的实现代码：

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`()方法里，首先通过查看任务的状态，看任务是否已经执行完了，如果执行完了，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了，则设置任务状态为`NORMAL`，如果出现异常，则纪录异常，并将任务状态设置为`EXCEPTIONAL`。

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**转载自并发编程网 – ifeve.com本文链接地址: [聊聊并发（八）——Fork/Join框架介绍][Fork_Join]**

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[Fork_Join]: http://ifeve.com/talk-concurrency-forkjoin/