Java 并发编程 -- Fork/Join 框架

Posted lijianming180

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Java 并发编程 -- Fork/Join 框架相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

概述

Fork/Join 框架是 Java7 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。
下图是网上流传的 Fork Join 的运行流程图,直接拿过来用了:

技术图片

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。
那么为什么要使用这个算法呢?
假如我们需要做一个比较大的任务,可以把这个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,而其他线程队列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,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。
工作窃取算法的优缺点:

  • 优点:充分利用线程进行并行计算,减少了线程间的竞争。
  • 缺点: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。并且该算法会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。

Fork/Join 框架工作流程

首先,是分割任务。需要有个fork类来把大任务分割成子任务,有可能子任务还是很大,那么还需要不停的分割,知道分割的任务足够小。
然后,执行任务的合并结果。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 框架的使用

Fork/Join 的使用需要使用两个类:

  • ForkJoinTask:要使用 Fork/Join 框架首先要创建一个 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,只需要继承它的子类,Fork/Join 框架提供了下面两个子类:
    • RecursiveAction:用于没有返回结果的任务。
    • RecursizeTask: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暂时没有其他任务时,它会随机从其他工作线程的队列的尾部获取一个任务。
下面我们通过一个简单的例子来了解一下 Fork/Join 框架的使用:计算 1+2+3+…..+10的结果。
使用 Fork/Join 框架首先要考虑的是如何分割任务,这个需要我们在代码里面实现。
因为这个是需要返回结果的任务,因此只能使用 RecursiveTask 来实现。代码如下:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
53
54
55
56
public static void testForkJoin() {
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
// 生成一个计算任务
CountTask countTask = new CountTask(1, 10);
// 执行任务
Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(countTask);
int sum = 0;
try {
sum = result.get();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
Log.e("Test","sum = "+sum);
}
public static class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {
// 设置一个阈值
private static final int THRESHOLD = 2;
private int mStart;
private int mEnd;
public CountTask(int start, int end) {
mStart = start;
mEnd = end;
Log.e("Test", "CountTask start = "+start+", end= = "+end);
}
@Override
protected Integer compute() {
int sum = 0;
boolean canCompute = (mEnd - mStart) <= THRESHOLD;
if (canCompute) {
for(int i = mStart; i<=mEnd;i++){
sum += i;
}
} else {
// 如果大于阈值,就要继续分割任务
int middle = (mStart + mEnd) / 2;
CountTask leftTask = new CountTask(mStart, middle);
CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, mEnd);
// 执行子任务
leftTask.fork();
rightTask.fork();
//等待子任务执行完,并获取执行结果
int leftResult = leftTask.join();
int rightResult = rightTask.join();
// 合并子任务
sum = leftResult + rightResult;
}
return sum;
}
}

ForkJoinTask 与一般任务的主要区别在于它需要实现 compute 方法,在这个方法里面,首先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,如果不继续分割,则执行当前任务并返回结果。使用 join 方法会等待任务执行完并得到其结果。

Fork/Join 框架的异常处理

ForkJoinTask 在执行任务的时候可能会抛出异常,但是我们没有办法在主线程里直接捕获异常,所以 ForkJoinTask 提供了 isCompletedAbnormally() 方法来判断任务是否已经抛出异常或者已经取消了,并且可以通过 ForkJoinTaskgetException() 方法获取异常。

1
2
3
4
5
if (leftTask.isCompletedAbnormally()) {
if (leftTask.getException() != null ) {
leftTask.getException().printStackTrace();
}
}

getException() 方法返回 Throwable 对象,如果任务取消了则返回 CancellationException。如果任务没有完成或者没有抛出异常则返回 null。

Fork/Join 框架的实现原理

参考

《Java 并发编程的艺术》

以上是关于Java 并发编程 -- Fork/Join 框架的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

Java 并发编程 -- Fork/Join 框架

Java并发编程从入门到精通 - 第7章:Fork/Join框架

并发编程-J.U.C组件拓展之Fork/Join框架

Java技术指南「并发编程专题」Fork/Join框架基本使用和原理探究(基础篇)

深入浅出Java并发编程指南「剖析篇」Fork/Join框架的实战开发和原理探究指南

Java技术指南「并发编程专题」Fork/Join框架基本使用和原理探究(原理及源码篇)