初步了解Fork/Join框架

Posted 2021-02-09 east7

框架介绍

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子任务，最终汇总每个子任务的执行结果以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：Fork/Join框架需要把任务分割成足够小的子任务，如果子任务比较大，就对子任务继续分割；

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。

简单的说，ForkJoin其核心思想就是分治。Fork分解任务，Join收集数据。

图1 Fork/Join工作模型

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)。工作窃取算法充分利用线程进行并行计算，减少了线程间的竞争。

子任务中应该避免使用synchronized关键词或其它方式的同步。也不应该是一阻塞IO或过多的访问共享变量。在理想情况下，每个子任务的实现过程中都应该只进行CPU相关的计算，并且只适用每个问题的内部对象。唯一的同步应该只发生在子任务和创建它的父问题之间。

 

在Java的Fork/Join框架中，使用两个类ForkJoinPool和ForkJoinTask完成上述操作。ForkJoinPool是ExecutorService的实现类，因此是一种特殊的线程池，使用方法与Executor框架类似。而ForkJoinTask类提供了在任务中执行fork和join的机制，需要通过ForkJoinPool来执行。通常情况下，不需要直接继承ForkJoinTask类，只需要继承它的子类，Fork/Join框架提供了两个主要的接口：

• RecursiveAction：无返回值的接口；
• RecursiveTask：有返回值的接口。

Fork/Join框架实现原理

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();
            }
        }

Join方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。源码如下：

   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）。

• NORMAL 直接返回任务结果；
• CANCELLED 直接抛出CancellationException；
• EXCEPTIONAL 直接抛出对应的异常。

 让我们分析一下doJoin方法的实现：

    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();
    }

 

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。使用如下代码： 

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());
}

案例分析

我们通过一个简单的例子来介绍一下Fork/Join框架的使用。需求：计算1+2+3+…+100的结果。

因为是有结果的任务，所以必须继承RecursiveTask。

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

public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private static final long serialVersionUID = 4880649443549126247L;

    private static final int THRESHOLD = 10;
    private int start;
    private int end;

    public CountTask(int start, int end) {
        super();
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        if (canCompute) {
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                sum += i;
            }
        } else {
            int middle = (start + end) / 2;
            // 递归
            CountTask leftTask = new CountTask(start, middle);
            CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, end);
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();
            sum = leftResult + rightResult;
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        CountTask task = new CountTask(1, 100);
        Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
        try {
            System.out.println(result.get());
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }

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

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；否则，递归分割任务，直到任务足够小。最后，使用join方法会等待子任务执行完并得到其结果。

参考文献

1. https://www.cnblogs.com/senlinyang/p/7885964.html
2. https://www.cnblogs.com/shijiaqi1066/p/4631466.html