JAVA并行框架：Fork/Join

一、背景

虽然目前处理器核心数已经发展到很大数目，但是按任务并发处理并不能完全充分的利用处理器资源，因为一般的应用程序没有那么多的并发处理任务。基于这种现状，考虑把一个任务拆分成多个单元，每个单元分别得到执行，最后合并每个单元的结果。

Fork/Join框架是JAVA7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。

二、工作窃取算法

指的是某个线程从其他队列里窃取任务来执行。使用的场景是一个大任务拆分成多个小任务，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中，并且每个队列都有单独的线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应。但是会出现这样一种情况：A线程处理完了自己队列的任务，B线程的队列里还有很多任务要处理。A是一个很热情的线程，想过去帮忙，但是如果两个线程访问同一个队列，会产生竞争，所以A想了一个办法，从双端队列的尾部拿任务执行。而B线程永远是从双端队列的头部拿任务执行（任务是一个个独立的小任务），这样感觉A线程像是小偷在窃取B线程的东西一样。

工作窃取算法的优点：

         利用了线程进行并行计算，减少了线程间的竞争。

工作窃取算法的缺点：

         1、如果双端队列中只有一个任务时，线程间会存在竞争。

         2、窃取算法消耗了更多的系统资源，如会创建多个线程和多个双端队列。

三、框架设计

 Fork/Join中两个重要的类：

1、ForkJoinTask：使用该框架，需要创建一个ForkJoin任务，它提供在任务中执行fork和join操作的机制。一般情况下，我们并不需要直接继承ForkJoinTask类，只需要继承它的子类，它的子类有两个：

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：任务ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行。

 1 package test;
 2 
 3 import java.util.concurrent.ExecutionException;
 4 import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
 5 import java.util.concurrent.Future;
 6 import java.util.concurrent.RecursiveTask;
 7 
 8 
 9 public class CountTask extends RecursiveTask<Integer>
10 {
11     private static final long serialVersionUID = 1L;
12     //阈值
13     private static final int THRESHOLD = 2;
14     private int start;
15     private int end;
16     
17     public CountTask(int start, int end)
18     {
19         this.start = start;
20         this.end = end;
21     }
22 
23     @Override
24     protected Integer compute()
25     {
26         int sum = 0;
27         //判断任务是否足够小
28         boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
29         if(canCompute)
30         {
31             //如果小于阈值，就进行运算
32             for(int i=start; i<=end; i++)
33             {
34                 sum += i;
35             }
36         }
37         else
38         {
39             //如果大于阈值，就再进行任务拆分
40             int middle = (start + end)/2;
41             CountTask leftTask = new  CountTask(start,middle);
42             CountTask rightTask = new  CountTask(middle+1,end);
43             //执行子任务
44             leftTask.fork();
45             rightTask.fork();
46             //等待子任务执行完，并得到执行结果
47             int leftResult = leftTask.join();
48             int rightResult = rightTask.join();
49             //合并子任务
50             sum = leftResult + rightResult;
51             
52         }
53         return sum;
54     }
55     
56     public static void main(String[] args)
57     {
58         ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
59         CountTask task = new CountTask(1,6);
60         //执行一个任务
61         Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
62         try
63         {
64             System.out.println(result.get());
65         }
66         catch (InterruptedException e)
67         {
68             e.printStackTrace();
69         }
70         catch (ExecutionException e)
71         {
72             e.printStackTrace();
73         }
74         
75     }
76     
77 }

这个程序是将1+2+3+4+5+6拆分成1+2；3+4；5+6三个部分进行子程序进行计算后合并。

四、源码解读

1、leftTask.fork();

1 public final ForkJoinTask<V> fork() {
2         Thread t;
3         if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
4             ((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
5         else
6             ForkJoinPool.common.externalPush(this);
7         return this;
8     }

fork方法内部会先判断当前线程是否是ForkJoinWorkerThread的实例，如果满足条件，则将task任务push到当前线程所维护的双端队列中。

 1  final void push(ForkJoinTask<?> task) {
 2             ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;
 3             int b = base, s = top, n;
 4             if ((a = array) != null) {    // ignore if queue removed
 5                 int m = a.length - 1;     // fenced write for task visibility
 6                 U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);
 7                 U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);
 8                 if ((n = s - b) <= 1) {
 9                     if ((p = pool) != null)
10                         p.signalWork(p.workQueues, this);
11                 }
12                 else if (n >= m)
13                     growArray();
14             }
15         }

在push方法中，会调用ForkJoinPool的signalWork方法唤醒或创建一个工作线程来异步执行该task任务。

2、

 public final V join() {
        int s;
        if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
            reportException(s);
        return getRawResult();
    }

通过doJoin方法返回的任务状态来判断，如果不是NORMAL，则抛异常：

 private void reportException(int s) {
        if (s == CANCELLED)
            throw new CancellationException();
        if (s == EXCEPTIONAL)
            rethrow(getThrowableException());
    }

来看下doJoin方法：

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();
    }

先查看任务状态，如果已经完成，则直接返回任务状态；如果没有完成，则从任务队列中取出任务并执行。