聊聊并发（八）Fork/Join框架介绍

##什么是Fork/Join框架## Fork/Join框架是Java7提供了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，最终汇总每一个小任务结果后获得大任务结果的框架。

咱们再经过Fork和Join这两个单词来理解下Fork/Join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，最后获得这个大任务的结果。好比计算1+2+。。＋10000，能够分割成10个子任务，每一个子任务分别对1000个数进行求和，最终汇总这10个子任务的结果。Fork/Join的运行流程图以下：

##工做窃取算法## 工做窃取（work-stealing）算法是指某个线程从其余队列里窃取任务来执行。工做窃取的运行流程图以下：

那么为何须要使用工做窃取算法呢？假如咱们须要作一个比较大的任务，咱们能够把这个任务分割为若干互不依赖的子任务，为了减小线程间的竞争，因而把这些子任务分别放到不一样的队列里，并为每一个队列建立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，好比A线程负责处理A队列里的任务。可是有的线程会先把本身队列里的任务干完，而其余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，不如去帮其余线程干活，因而它就去其余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，因此为了减小窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争，一般会使用双端队列，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。

工做窃取算法的优势是充分利用线程进行并行计算，并减小了线程间的竞争，其缺点是在某些状况下仍是存在竞争，好比双端队列里只有一个任务时。而且消耗了更多的系统资源，好比建立多个线程和多个双端队列。

##Fork/Join框架的介绍## 咱们已经很清楚Fork/Join框架的需求了，那么咱们能够思考一下，若是让咱们来设计一个Fork/Join框架，该如何设计？这个思考有助于你理解Fork/Join框架的设计。

第一步分割任务。首先咱们须要有一个fork类来把大任务分割成子任务，有可能子任务仍是很大，因此还须要不停的分割，直到分割出的子任务足够小。

第二步执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列里，而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，而后合并这些数据。

Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情： （1）ForkJoinTask：咱们要使用ForkJoin框架，必须首先建立一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行fork()和join()操做的机制，一般状况下咱们不须要直接继承ForkJoinTask类，而只须要继承它的子类，Fork/Join框架提供了如下两个子类：（a）RecursiveAction：用于没有返回结果的任务。（b）RecursiveTask ：用于有返回结果的任务。 （2）ForkJoinPool ：ForkJoinTask须要经过ForkJoinPool来执行，任务分割出的子任务会添加到当前工做线程所维护的双端队列中，进入队列的头部。当一个工做线程的队列里暂时没有任务时，它会随机从其余工做线程的队列的尾部获取一个任务。

##使用Fork/Join框架## 让咱们经过一个简单的需求来使用下Fork／Join框架，需求是：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，若是咱们但愿每一个子任务最多执行两个数的相加，那么咱们设置分割的阈值是2，因为是4个数字相加，因此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，而后再join两个子任务的结果。

由于是有结果的任务，因此必须继承RecursiveTask，实现代码以下：

public class CountTask extends RecursiveTask {

	private static final int THRESHOLD = 2;//阈值

	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;
		//若是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 {

			//若是任务大于阀值，就分裂成两个子任务计算
			int middle = (start + end) / 2;

			CountTask leftTask = new CountTask(start, middle);
			CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, end);

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

			//等待子任务执行完，并获得其结果
			int leftResult = (Integer)leftTask.join();
			int rightResult = (Integer)rightTask.join();

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

	public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
		ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();

		//生成一个计算任务，负责计算1+2+3+4
		CountTask task = new CountTask(1, 4);

		//执行一个任务
		Future result = forkJoinPool.submit(task);
		System.out.println(result.get());
	}
}

经过这个例子让咱们再来进一步了解ForkJoinTask，ForkJoinTask与通常的任务的主要区别在于它须要实现compute方法，在这个方法里，首先须要判断任务是否足够小，若是足够小就直接执行任务。若是不足够小，就必须分割成两个子任务，每一个子任务在调用fork方法时，又会进入compute方法，看看当前子任务是否须要继续分割成孙任务，若是不须要继续分割，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获得其结果。

##Fork/Join框架的异常处理## ForkJoinTask在执行的时候可能会抛出异常，可是咱们没办法在主线程里直接捕获异常，因此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，而且能够经过ForkJoinTask的getException方法获取异常。使用以下代码：

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

getException方法返回Throwable对象，若是任务被取消了则返回CancellationException。若是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## ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责存放程序提交给ForkJoinPool的任务，而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。

ForkJoinTask的fork方法实现原理。当咱们调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会调用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法异步的执行这个任务，而后当即返回结果。代码以下：

public final ForkJoinTask fork() {
        ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()).pushTask(this);
        return this;
}

pushTask方法把当前任务存放在ForkJoinTask 数组queue里。而后再调用ForkJoinPool的signalWork()方法唤醒或建立一个工做线程来执行任务。代码以下：

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方法实现原理。Join方法的主要做用是阻塞当前线程并等待获取结果。让咱们一块儿看看ForkJoinTask的join方法的实现，代码以下：

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，它调用了doJoin()方法，经过doJoin()方法获得当前任务的状态来判断返回什么结果，任务状态有四种：已完成（NORMAL），被取消（CANCELLED），信号（SIGNAL）和出现异常（EXCEPTIONAL）。

若是任务状态是已完成，则直接返回任务结果。 若是任务状态是被取消，则直接抛出CancellationException。 若是任务状态是抛出异常，则直接抛出对应的异常。

让咱们再来分析下doJoin()方法的实现代码：

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，首先经过查看任务的状态，看任务是否已经执行完了，若是执行完了，则直接返回任务状态，若是没有执行完，则从任务数组里取出任务并执行。若是任务顺利执行完成了，则设置任务状态为NORMAL，若是出现异常，则纪录异常，并将任务状态设置为EXCEPTIONAL。