Fork/Join框架介紹

什么是Fork/Join框架

Fork/Join框架是Java7提供的一個用于并行執行任務的框架，是一個把大任務分割成若干個小任務，最終匯總每個小任務結果后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并行的執行，Join就是合并這些子任務的執行結果，最后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，最終匯總這10個子任務的結果。Fork/Join的運行流程圖如下：

image.png

雙端隊列和工作竊取算法

工作竊取（work-stealing）算法是指某個線程從其他隊列里竊取任務來執行。工作竊取的運行流程圖如下：

image.png

那么為什么需要使用工作竊取算法呢？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，為了減少線程間的競爭，于是把這些子任務分別放到不同的隊列里，并為每個隊列創建一個單獨的線程來執行隊列里的任務，線程和隊列一一對應，比如A線程負責處理A隊列里的任務。但是有的線程會先把自己隊列里的任務干完，而其他線程對應的隊列里還有任務等待處理。干完活的線程與其等著，不如去幫其他線程干活，于是它就去其他線程的隊列里竊取一個任務來執行。而在這時它們會訪問同一個隊列，所以為了減少竊取任務線程和被竊取任務線程之間的競爭，通常會使用雙端隊列，被竊取任務線程永遠從雙端隊列的頭部拿任務執行，而竊取任務的線程永遠從雙端隊列的尾部拿任務執行。因此進一步降低了隊列上的競爭程度。

工作竊取算法的優點是充分利用線程進行并行計算，并減少了線程間的競爭，其缺點是在某些情況下還是存在競爭，比如雙端隊列里只有一個任務時。并且消耗了更多的系統資源，比如創建多個線程和多個雙端隊列。

Fork/Join框架的介紹

我們已經很清楚Fork/Join框架的需求了，那么我們可以思考一下，如果讓我們來設計一個Fork/Join框架，該如何設計？這個思考有助于你理解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。

第二步執行任務并合并結果。分割的子任務分別放在雙端隊列里，然后幾個啟動線程分別從雙端隊列里獲取任務執行。子任務執行完的結果都統一放在一個隊列里，啟動一個線程從隊列里拿數據，然后合并這些數據。

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，必須首先創建一個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：用于沒有返回結果的任務。

RecursiveTask ：用于有返回結果的任務。

2）ForkJoinPool ：ForkJoinTask需要通過ForkJoinPool來執行，任務分割出的子任務會添加到當前工作線程所維護的雙端隊列中，進入隊列的頭部。當一個工作線程的隊列里暫時沒有任務時，它會隨機從其他工作線程的隊列的尾部獲取一個任務。

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，那么我們設置分割的閾值是2，由于是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，然后再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，實現代碼如下：

public class CountTask extends RecursiveTask {

    private static final int THRESHOLD = 2;// 閾值

    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;

        // 如果任務足夠小就計算任務

        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;

        if (canCompute) {

            for (int i = start; i <= end; i++) {

                sum += i;

            }

        } else {

            // 如果任務大于閥值，就分裂成兩個子任務計算

            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，并得到其結果

            int leftResult = (int) leftTask.join();

            int rightResult = (int) rightTask.join();

            // 合并子任務

            sum = leftResult + rightResult;
        }

        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {

        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();

        // 生成一個計算任務，負責計算1+2+3+4

        CountTask task = new CountTask(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了解ForkJoinTask，ForkJoinTask與一般的任務的主要區別在于它需要實現compute方法，在這個方法里，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，每個子任務在調用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，則執行當前子任務并返回結果。使用join方法會等待子任務執行完并得到其結果。

Fork/Join框架的異常處理

ForkJoinTask在執行的時候可能會拋出異常，但是我們沒辦法在主線程里直接捕獲異常，所以ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法來檢查任務是否已經拋出異常或已經被取消了，并且可以通過ForkJoinTask的getException方法獲取異常。使用如下代碼：

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

getException方法返回Throwable對象，如果任務被取消了則返回CancellationException。如果任務沒有完成或者沒有拋出異常則返回null。

Fork/Join框架的實現原理

ForkJoinPool由ForkJoinTask數組和ForkJoinWorkerThread數組組成，ForkJoinTask數組負責存放程序提交給ForkJoinPool的任務，而ForkJoinWorkerThread數組負責執行這些任務。

ForkJoinTask的fork方法實現原理。當我們調用ForkJoinTask的fork方法時，程序會調用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法異步的執行這個任務，然后立即返回結果。代碼如下：

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

pushTask方法把當前任務存放在ForkJoinTask類型數組queue里。然后再調用ForkJoinPool的signalWork()方法喚醒或創建一個工作線程來執行任務。代碼如下：

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線程并等待獲取結果。讓我們一起看看ForkJoinTask的join方法的實現，代碼如下：

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，它調用了doJoin()方法，通過doJoin()方法得到當前任務的狀態來判斷返回什么結果，任務狀態有四種：已完成（NORMAL），被取消（CANCELLED），信號（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，則直接拋出CancellationException。
如果任務狀態是拋出異常，則直接拋出對應的異常。

讓我們再來分析下doJoin()方法的實現代碼：

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()方法里，首先通過查看任務的狀態，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，則從任務數組里取出任務并執行。如果任務順利執行完成了，則設置任務狀態為NORMAL，如果出現異常，則記錄異常，并將任務狀態設置為EXCEPTIONAL。