Fork/Join框架详解

Fork/Join框架详解

Fork/Join框架是Java 7提供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。Fork/Join框架要完成两件事情：

• 任务分割：首先Fork/Join框架需要把大的任务分割成足够小的子任务，如果子任务比较大的话还要对子任务进行继续分割

• 执行任务并合并结果：分割的子任务分别放到双端队列里，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放在另外一个队列里，启动一个线程从队列里取数据，然后合并这些数据

ForkJoinTask

使用Fork/Join框架，首先需要创建一个ForkJoin任务。该类提供了在任务中执行fork和join的机制。通常情况下我们不需要直接集成ForkJoinTask类，只需要继承它的子类，Fork/Join框架提供了两个子类:

• 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(工作窃取算法)；

Fork/Join框架的实现原理

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责将存放程序提交给ForkJoinPool，而ForkJoinWorkerThread负责执行这些任务;

ForkJoinTask的fork方法的实现原理

当我们调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会把任务放在ForkJoinWorkerThread的pushTask的workQueue中，异步地执行这个任务，然后立即返回结果，代码如下：

public final ForkJoinTask<V> fork() {
    Thread t;
    if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
        ((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
    else
        ForkJoinPool.common.externalPush(this);
    return this;
}

pushTask方法把当前任务存放在ForkJoinTask数组队列里。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 push(ForkJoinTask<?> task) {
    ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;
    int b = base, s = top, n;
    if ((a = array) != null) {    // ignore if queue removed
        int m = a.length - 1;     // fenced write for task visibility
        U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);
        U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);
        if ((n = s - b) <= 1) {
            if ((p = pool) != null)
                p.signalWork(p.workQueues, this);
        }
        else if (n >= m)
            growArray();
    }
}

ForkJoinTask的join方法的实现原理

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() {
    int s;
    if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL){
        reportException(s);
    }
    return getRawResult();
}

它首先调用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4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；
doJoin方法的实现，代码如下：

private int doJoin() {
    int s;
    Thread t;
    ForkJoinWorkerThread wt;
    ForkJoinPool.WorkQueue w;
    return (s = status) < 0 ? s :
            ((t = Thread.currentThread()) instanceof                                ForkJoinWorkerThread) ? (w = (wt =                                      (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).tryUnpush(this) && (s =                 doExec()) < 0 ? s : wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :                externalAwaitDone();
}

doExec() :

final int doExec() {
    int s; 
    boolean completed;
    if ((s = status) >= 0) {
        try {
            completed = exec();
        } catch (Throwable rex) {
            return setExceptionalCompletion(rex);
        }
        if (completed){
            s = setCompletion(NORMAL);
        }
    }
    return s;
}

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成，如果执行完成，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，则设置任务状态为NORMAL，如果出现异常，则记录异常，并将任务状态设置为EXCEPTIONAL

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。代码如下：

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:

public final Throwable getException() {
    int s = status & DONE_MASK;
    return ((s >= NORMAL) ? null :
        (s == CANCELLED) ? new CancellationException() :
        getThrowableException());
}

DEMO

需求：求1+2+3+4的结果
分析：Fork/Join框架首先要考虑到的是如何分割任务，如果希望每个子任务最多执行两个数的相加，那么我们设置分割的阈值是2，由于是4个数字相加，所以Fork/Join框架会把这个任务fork成两个子任务，子任务一负责计算1+2，子任务二负责计算3+4，然后再join两个子任务的结果。因为是有结果的任务，所以必须继承RecursiveTask，实现代码如下：

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;

/**
 *
 * @author aikq
 * @date 2018年11月21日 20:37
 */
public class ForkJoinTaskDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        CountTask task = new CountTask(1,4);
        Future<Integer> result = pool.submit(task);
        try {
            System.out.println("计算结果=" + result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class CountTask extends RecursiveTask<Integer>{
    private static final long serialVersionUID = -7524245439872879478L;

    private static final int THREAD_HOLD = 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
        boolean canCompute = (end - start) <= THREAD_HOLD;
        if(canCompute){
            for(int i=start;i<=end;i++){
                sum += i;
            }
        }else{
            int middle = (start + end) / 2;
            CountTask left = new CountTask(start,middle);
            CountTask right = new CountTask(middle+1,end);
            //执行子任务
            left.fork();
            right.fork();
            //获取子任务结果
            int lResult = left.join();
            int rResult = right.join();
            sum = lResult + rResult;
        }
        return sum;
    }
}

通过这个例子，我们进一步了解ForkJoinTask，ForkJoinTask与一般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子任务，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