22-ForkJoin框架

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。

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