聊聊并發（8）Fork/Join框架介紹
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本系列：
聊聊并發（2）Java SE1.6中的Synchronized
聊聊并發（6）ConcurrentLinkedQueue的實現原理分析
1. 什么是Fork/Join框架
Fork/Join框架是Java7提供了的一個用于并行執行任務的框架， 是一個把大任務分割成若干個小任務，最終匯總每個小任務結果后得到大任務結果的框架。
我們再通過Fork和Join這兩個單詞來理解下Fork/Join框架，Fork就是把一個大任務切分為若干子任務并行的執行，Join就是合并這些子任務的執行結果，最后得到這個大任務的結果。比如計算1+2+。。＋10000，可以分割成10個子任務，每個子任務分別對1000個數進行求和，最終匯總這10個子任務的結果。Fork/Join的運行流程圖如下：
2. 工作竊取算法
工作竊取（work-stealing）算法是指某個線程從其他隊列里竊取任務來執行。工作竊取的運行流程圖如下：
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比較大的任務，我們可以把這個任務分割為若干互不依賴的子任務，為了減少線程間的競爭，于是把這些子任務分別放到不同的隊列里，并為每個隊列創建一個單獨的線程來執行隊列里的任務，線程和隊列一一對應，比如A線程負責處理A隊列里的任務。但是有的線程會先把自己隊列里的任務干完，而其他線程對應的隊列里還有任務等待處理。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列里竊取一個任務來執行。而在這時它們會訪問同一個隊列，所以為了減少竊取任務線程和被竊取任務線程之間的競爭，通常會使用雙端隊列，被竊取任務線程永遠從雙端隊列的頭部拿任務執行，而竊取任務的線程永遠從雙端隊列的尾部拿任務執行。
工作竊取算法的優點是充分利用線程進行并行計算，并減少了線程間的競爭，其缺點是在某些情況下還是存在競爭，比如雙端隊列里只有一個任務時。并且消耗了更多的系統資源，比如創建多個線程和多個雙端隊列。
3. Fork/Join框架的介紹
我們已經很清楚Fork/Join框架的需求了，那么我們可以思考一下，如果讓我們來設計一個Fork/Join框架，該如何設計？這個思考有助于你理解Fork/Join框架的設計。
第一步分割任務。首先我們需要有一個fork類來把大任務分割成子任務，有可能子任務還是很大，所以還需要不停的分割，直到分割出的子任務足夠小。
第二步執行任務并合并結果。分割的子任務分別放在雙端隊列里，然后幾個啟動線程分別從雙端隊列里獲取任務執行。子任務執行完的結果都統一放在一個隊列里，啟動一個線程從隊列里拿數據，然后合并這些數據。
Fork/Join使用兩個類來完成以上兩件事情：
- ForkJoinTask：我們要使用ForkJoin框架，必須首先創建一個ForkJoin任務。它提供在任務中執行fork()和join()操作的機制，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，Fork/Join框架提供了以下兩個子類：
- RecursiveAction：用于沒有返回結果的任務。
- RecursiveTask ：用于有返回結果的任務。
- ForkJoinPool ：ForkJoinTask需要通過ForkJoinPool來執行，任務分割出的子任務會添加到當前工作線程所維護的雙端隊列中，進入隊列的頭部。當一個工作線程的隊列里暫時沒有任務時，它會隨機從其他工作線程的隊列的尾部獲取一個任務。
4. 使用Fork/Join框架
讓我們通過一個簡單的需求來使用下Fork／Join框架，需求是：計算1+2+3+4的結果。
使用Fork／Join框架首先要考慮到的是如何分割任務，如果我們希望每個子任務最多執行兩個數的相加，那么我們設置分割的閾值是2，由于是4個數字相加，所以Fork／Join框架會把這個任務fork成兩個子任務，子任務一負責計算1+2，子任務二負責計算3+4，然后再join兩個子任務的結果。
因為是有結果的任務，所以必須繼承RecursiveTask，實現代碼如下：
packagefj;importjava.util.concurrent.ExecutionException;
importjava.util.concurrent.ForkJoinPool;
importjava.util.concurrent.Future;
importjava.util.concurrent.RecursiveTask;
publicclassCountTaskextendsRecursiveTask {
privatestaticfinalintTHRESHOLD= 2;//閾值 privateintstart; privateintend; publicCountTask(intstart,intend) { this.start= start; this.end= end; } @Override protectedInteger compute() { intsum = 0; //如果任務足夠小就計算任務 booleancanCompute = (end-start) <=THRESHOLD; if(canCompute) { for(inti =start; i <=end; i++) { sum += i; } }else{ //如果任務大于閥值，就分裂成兩個子任務計算 intmiddle = (start+end) / 2; CountTask leftTask =newCountTask(start, middle); CountTask rightTask =newCountTask(middle + 1,end); //執行子任務 leftTask.fork(); rightTask.fork(); //等待子任務執行完，并得到其結果 intleftResult=leftTask.join(); intrightResult=rightTask.join(); //合并子任務 sum = leftResult + rightResult; } returnsum; } publicstaticvoidmain(String[] args) { ForkJoinPool forkJoinPool =newForkJoinPool(); //生成一個計算任務，負責計算1+2+3+4 CountTask task =newCountTask(1, 4); //執行一個任務 Future result = forkJoinPool.submit(task); try{ System.out.println(result.get()); }catch(InterruptedException e) { }catch(ExecutionException e) { } }}</pre>
通過這個例子讓我們再來進一步了解ForkJoinTask，ForkJoinTask與一般的任務的主要區別在于它需要實現compute方法，在這個方法里，首先需要判斷任務是否足夠小，如果足夠小就直接執行任務。如果不足夠小，就必須分割成兩個子任務，每個子任務在調用fork方法時，又會進入compute方法，看看當前子任務是否需要繼續分割成孫任務，如果不需要繼續分割，則執行當前子任務并返回結果。使用join方法會等待子任務執行完并得到其結果。
5. Fork/Join框架的異常處理
ForkJoinTask在執行的時候可能會拋出異常，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()方法來檢查任務是否已經拋出異常或已經被取消了，并且可以通過ForkJoinTask的getException方法獲取異常。使用如下代碼：
if(task.isCompletedAbnormally()) { System.out.println(task.getException()); }getException方法返回Throwable對象，如果任務被取消了則返回CancellationException。如果任務沒有完成或者沒有拋出異常則返回null。
6. Fork/Join框架的實現原理
ForkJoinPool由ForkJoinTask數組和ForkJoinWorkerThread數組組成，ForkJoinTask數組負責存放程序提交給ForkJoinPool的任務，而ForkJoinWorkerThread數組負責執行這些任務。
ForkJoinTask的fork方法實現原理。當我們調用ForkJoinTask的fork方法時，程序會調用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法異步的執行這個任務，然后立即返回結果。代碼如下：
public final ForkJoinTask fork() { ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()) .pushTask(this); return this; }ForkJoinTask的join方法實現原理。Join方法的主要作用是阻塞當前線程并等待獲取結果。讓我們一起看看ForkJoinTask的join方法的實現，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(); } }首先，它調用了doJoin()方法，通過doJoin()方法得到當前任務的狀態來判斷返回什么結果，任務狀態有四種：已完成（NORMAL），被取消（CANCELLED），信號（SIGNAL）和出現異常（EXCEPTIONAL）。
- 如果任務狀態是已完成，則直接返回任務結果。
- 如果任務狀態是被取消，則直接拋出CancellationException。
- 如果任務狀態是拋出異常，則直接拋出對應的異常。
讓我們再來分析下doJoin()方法的實現代碼：
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();
}
在doJoin()方法里，首先通過查看任務的狀態，看任務是否已經執行完了，如果執行完了，則直接返回任務狀態，如果沒有執行完，則從任務數組里取出任務并執行。如果任務順利執行完成了，則設置任務狀態為NORMAL，如果出現異常，則紀錄異常，并將任務狀態設置為EXCEPTIONAL。
7. 參考資料
- JDK1.7源碼
- http://ifeve.com/fork-join-5/
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