并发编程-J.U.C组件拓展之Fork/Join框架

Posted 2021-09-03 爱上口袋的天空

Fork/Join框架概述

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。

---

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.

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。

 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。
• 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框架的设计

如果让我们来设计一个Fork/Join框架，该如何设计？

1、Step1: 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，所以还需要不停地分割，直到分割出的子任务足够小。

2、Step2: 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。

Fork/Join使用ForkJoinTask、ForkJoinPool两个类来完成以上两件事情。

ForkJoinTask

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，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

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。

---

示例

需求：计算1+2+3+4的结果

使用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

package com.artisan.example.aqs;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

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

@Slf4j
public class ForkJoinTaskExample extends RecursiveTask<Integer> {

	private static final long serialVersionUID = 5547724989189856681L;
	
	public static final int threshold = 2;
    private int start;
    private int end;

    public ForkJoinTaskExample(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任务
        boolean canCompute = (end - start) <= threshold;
        if (canCompute) {
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                sum += i;
            }
        } else {
            // 如果任务大于阈值，就分裂成两个子任务计算
            int middle = (start + end) / 2;
            ForkJoinTaskExample leftTask = new ForkJoinTaskExample(start, middle);
            ForkJoinTaskExample rightTask = new ForkJoinTaskExample(middle + 1, end);

            // 执行子任务
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();

            // 等待任务执行结束合并其结果
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();

            // 合并子任务
            sum = leftResult + rightResult;
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkjoinPool = new ForkJoinPool();

        //生成一个计算任务，计算1+2+3+4 + ... + 100
        ForkJoinTaskExample task = new ForkJoinTaskExample(1, 4);

        //执行一个任务
        Future<Integer> result = forkjoinPool.submit(task);

        try {
            log.info("result:{}", result.get());
        } catch (Exception e) {
            log.error("exception", e);
        }
    }
}

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。

---

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.

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。