1、Fork 与 Join
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，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架。
我们再通过 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，最后得到这个大任务的结果。比如计算 1+2 + …+ 10000，可以分割成多个子任务，每个子任务分别对 1000 个数进行求和，最终汇总这些子任务的结果。
2、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。
一个大任务分割为若干个互不依赖的子任务，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，并未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。比如线程A负责处理队列1里的任务，B线程负责队列2的。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待处理。
干完活的线程与其等着，不如帮其他线程干活，于是它就去其他线程的队列里窃取一个任务来执行。而在这时它们可能会访问同一个队列，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，而窃取任务线程永远从双端队列的尾部拿任务执行。工作窃取算法可以充分利用线程进行并行计算，减少线程间的竞争。但是在某些情况下还是会存在竞争，比如双端队列里只有一个任务时。并且该算法会消耗更多的系统资源， 比如创建多个线程和多个双端队列。
3、Fork/Join 使用示例
3.1 Fork/Join 使用范式
1、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。
2、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，
3、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。
// 定义任务static class SumTask extends RecursiveTask<R> {@Overrideprotected R compute() {if (任务足够小不需要分割) {// 计算并返回}// 否则，拆分任务SumTask subTask1 = new SumTask();SumTask subTask2 = new SumTask();// 执行分割后的任务并等待完成invokeAll(subTask1, subTask2);Long r1 = subTask1.join();Long r2 = subTask2.join();// 返回结果return r1 + r2;}}// 使用SumTask sumTask = new SumTask();R invoke = ForkJoinPool.commonPool().invoke(sumTask)log.info("Result = {}", invoke);
3.2 使用案例
static class SumTask extends RecursiveTask<Long> {
static final int LIMIT = 50;
private final long[] dataArray;
private final int start;
private final int end;
public SumTask(long[] dataArray, int start, int end) {
this.dataArray = dataArray;
this.start = start;
this.end = end;
}
@Override
protected Long compute() {
if (end - start < LIMIT) {
long sum = 0L;
for (int i = start; i < end; i++) {
sum += dataArray[i];
}
return sum;
}
// 拆分任务
int middle = (start + end) / 2;
System.out.println(String.format("拆分任务：s = %s e = %s ,m = %s", start, end, middle));
SumTask subTask1 = new SumTask(this.dataArray, start, middle);
SumTask subTask2 = new SumTask(this.dataArray, middle, end);
invokeAll(subTask1, subTask2);
Long result1 = subTask1.join();
Long result2 = subTask2.join();
return result1 + result2;
}
}
public static void main(){
long[] dataArray = new long[1000];
Random random = new Random(0);
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
dataArray[i] = i;
}
SumTask sumTask = new SumTask(dataArray, 0, 1000);
Long invoke = ForkJoinPool.commonPool().invoke(sumTask);
log.info("Result = {}", invoke);
}
4、Fork/Join 原理分析
4.1 fork() 方法
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。当我们调用 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，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;
}
push 方法把当前任务存放在 ForkJoinTask 数组 queue 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;
int s = top, d, cap, m;
ForkJoinPool p = pool;
if ((a = array) != null && (cap = a.length) > 0) {
QA.setRelease(a, (m = cap - 1) & s, task);
top = s + 1;
if (((d = s - (int)BASE.getAcquire(this)) & ~1) == 0 &&
p != null) { // size 0 or 1
VarHandle.fullFence();
p.signalWork();
}
else if (d == m)
growArray(false);
}
}
4.2 join() 方法
ForkJoinTask 的 join 方法实现原理。Join 方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。让我们一起看看 ForkJoinTask 的 join 方法的实现，代码如下：
public final V join() {
int s;
if (((s = doJoin()) & ABNORMAL) != 0)
reportException(s);
return getRawResult();
}
/**
* Implementation for join, get, quietlyJoin. Directly handles
* only cases of already-completed, external wait, and
* unfork+exec. Others are relayed to ForkJoinPool.awaitJoin.
*
* @return status upon completion
*/
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();
}
首先，它调用了 doJoin() 方法，首先通过查看任务的状态，看任务是否已经执行完了，如果执行完了，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了，则设置任务状态为 NORMAL，如果出现异常，则纪录异常，并将任务状态设置为 EXCEPTIONAL。最后判断如果任务状态不是正常状态，则直接抛出异常。否则直接尝试获取结果。
5、 参考资料
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