什么是Fork/Join框架
Fork/Join框架是Java7提供了的一個(gè)用于并行執(zhí)行任務(wù)的框架， 是一個(gè)把大任務(wù)分割成若干個(gè)小任務(wù)，最終匯總每個(gè)小任務(wù)結(jié)果后得到大任務(wù)結(jié)果的框架。
我們再通過Fork和Join這兩個(gè)單詞來理解下Fork/Join框架，F(xiàn)ork就是把一個(gè)大任務(wù)切分為若干子任務(wù)并行的執(zhí)行，Join就是合并這些子任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，最后得到這個(gè)大任務(wù)的結(jié)果。比如計(jì)算1+2+。。＋10000，可以分割成10個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)分別對1000個(gè)數(shù)進(jìn)行求和，最終匯總這10個(gè)子任務(wù)的結(jié)果
工作竊取算法
工作竊?。╳ork-stealing）算法是指某個(gè)線程從其他隊(duì)列里竊取任務(wù)來執(zhí)行。
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(gè)比較大的任務(wù)，我們可以把這個(gè)任務(wù)分割為若干互不依賴的子任務(wù)，為了減少線程間的競爭，于是把這些子任務(wù)分別放到不同的隊(duì)列里，并為每個(gè)隊(duì)列創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的線程來執(zhí)行隊(duì)列里的任務(wù)，線程和隊(duì)列一一對應(yīng)，比如A線程負(fù)責(zé)處理A隊(duì)列里的任務(wù)。但是有的線程會(huì)先把自己隊(duì)列里的任務(wù)干完，而其他線程對應(yīng)的隊(duì)列里還有任務(wù)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(duì)列里竊取一個(gè)任務(wù)來執(zhí)行。而在這時(shí)它們會(huì)訪問同一個(gè)隊(duì)列，所以為了減少竊取任務(wù)線程和被竊取任務(wù)線程之間的競爭，通常會(huì)使用雙端隊(duì)列，被竊取任務(wù)線程永遠(yuǎn)從雙端隊(duì)列的頭部拿任務(wù)執(zhí)行，而竊取任務(wù)的線程永遠(yuǎn)從雙端隊(duì)列的尾部拿任務(wù)執(zhí)行。
工作竊取算法的優(yōu)點(diǎn)是充分利用線程進(jìn)行并行計(jì)算，并減少了線程間的競爭，其缺點(diǎn)是在某些情況下還是存在競爭，比如雙端隊(duì)列里只有一個(gè)任務(wù)時(shí)。并且消耗了更多的系統(tǒng)資源，比如創(chuàng)建多個(gè)線程和多個(gè)雙端隊(duì)列。
Fork/Join框架的介紹
我們已經(jīng)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(shè)計(jì)一個(gè)Fork/Join框架，該如何設(shè)計(jì)？這個(gè)思考有助于你理解Fork/Join框架的設(shè)計(jì)。
第一步分割任務(wù)。首先我們需要有一個(gè)fork類來把大任務(wù)分割成子任務(wù)，有可能子任務(wù)還是很大，所以還需要不停的分割，直到分割出的子任務(wù)足夠小。
第二步執(zhí)行任務(wù)并合并結(jié)果。分割的子任務(wù)分別放在雙端隊(duì)列里，然后幾個(gè)啟動(dòng)線程分別從雙端隊(duì)列里獲取任務(wù)執(zhí)行。子任務(wù)執(zhí)行完的結(jié)果都統(tǒng)一放在一個(gè)隊(duì)列里，啟動(dòng)一個(gè)線程從隊(duì)列里拿數(shù)據(jù)，然后合并這些數(shù)據(jù)。
Fork/Join使用兩個(gè)類來完成以上兩件事情：
ForkJoinTask：我們要使用ForkJoin框架，必須首先創(chuàng)建一個(gè)ForkJoin任務(wù)。它提供在任務(wù)中執(zhí)行fork()和join()操作的機(jī)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，F(xiàn)ork/Join框架提供了以下兩個(gè)子類：
RecursiveAction：用于沒有返回結(jié)果的任務(wù)。
RecursiveTask ：用于有返回結(jié)果的任務(wù)。
ForkJoinPool ：ForkJoinTask需要通過ForkJoinPool來執(zhí)行，任務(wù)分割出的子任務(wù)會(huì)添加到當(dāng)前工作線程所維護(hù)的雙端隊(duì)列中，進(jìn)入隊(duì)列的頭部。當(dāng)一個(gè)工作線程的隊(duì)列里暫時(shí)沒有任務(wù)時(shí)，它會(huì)隨機(jī)從其他工作線程的隊(duì)列的尾部獲取一個(gè)任務(wù)。
Fork/Join框架的異常處理
ForkJoinTask在執(zhí)行的時(shí)候可能會(huì)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(wù)是否已經(jīng)拋出異?；蛞呀?jīng)被取消了，并且可以通過ForkJoinTask的getException方法獲取異常。
if(task.isCompletedAbnormally())
{
System.out.println(task.getException());
}
getException方法返回Throwable對象，如果任務(wù)被取消了則返回CancellationException。如果任務(wù)沒有完成或者沒有拋出異常則返回null。
Fork/Join框架的實(shí)現(xiàn)原理
ForkJoinPool由ForkJoinTask數(shù)組和ForkJoinWorkerThread數(shù)組組成，F(xiàn)orkJoinTask數(shù)組負(fù)責(zé)存放程序提交給ForkJoinPool的任務(wù)，而ForkJoinWorkerThread數(shù)組負(fù)責(zé)執(zhí)行這些任務(wù)。
ForkJoinTask的fork方法實(shí)現(xiàn)原理。當(dāng)我們調(diào)用ForkJoinTask的fork方法時(shí)，程序會(huì)調(diào)用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法異步的執(zhí)行這個(gè)任務(wù)，然后立即返回結(jié)果。代碼如下：
public final ForkJoinTask fork() {
((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())
.pushTask(this);
return this;
}
pushTask方法把當(dāng)前任務(wù)存放在ForkJoinTask 數(shù)組queue里。然后再調(diào)用ForkJoinPool的signalWork()方法喚醒或創(chuàng)建一個(gè)工作線程來執(zhí)行任務(wù)。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(shí)現(xiàn)原理。Join方法的主要作用是阻塞當(dāng)前線程并等待獲取結(jié)果。讓我們一起看看ForkJoinTask的join方法的實(shí)現(xiàn)，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(diào)用了doJoin()方法，通過doJoin()方法得到當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)來判斷返回什么結(jié)果，任務(wù)狀態(tài)有四種：已完成（NORMAL），被取消（CANCELLED），信號（SIGNAL）和出現(xiàn)異常（EXCEPTIONAL）。
如果任務(wù)狀態(tài)是已完成，則直接返回任務(wù)結(jié)果。
如果任務(wù)狀態(tài)是被取消，則直接拋出CancellationException。
如果任務(wù)狀態(tài)是拋出異常，則直接拋出對應(yīng)的異常。
讓我們再來分析下doJoin()方法的實(shí)現(xiàn)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(wù)的狀態(tài)，看任務(wù)是否已經(jīng)執(zhí)行完了，如果執(zhí)行完了，則直接返回任務(wù)狀態(tài)，如果沒有執(zhí)行完，則從任務(wù)數(shù)組里取出任務(wù)并執(zhí)行。如果任務(wù)順利執(zhí)行完成了，則設(shè)置任務(wù)狀態(tài)為NORMAL，如果出現(xiàn)異常，則紀(jì)錄異常，并將任務(wù)狀態(tài)設(shè)置為EXCEPTIONAL。
