浅谈Java Fork/Join并行框架

2019-11-26 11:15:34

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供稿：网友

初步了解Fork/Join框架

Fork/Join 框架是java7中加入的一个并行任务框架，可以将任务分割成足够小的小任务，然后让不同的线程来做这些分割出来的小事情，然后完成之后再进行join，将小任务的结果组装成大任务的结果。下面的图片展示了这种框架的工作模型：

使用Fork/Join并行框架的前提是我们的任务可以拆分成足够小的任务，而且可以根据小任务的结果来组装出大任务的结果，一个最简单的例子是使用Fork/Join框架来求一个数组中的最大/最小值，这个任务就可以拆成很多小任务，大任务就是寻找一个大数组中的最大/最小值，我们可以将一个大数组拆成很多小数组，然后分别求解每个小数组中的最大/最小值，然后根据这些任务的结果组装出最后的最大最小值，下面的代码展示了如何通过Fork/Join求解数组的最大值：

import java.util.concurrent.ExecutionException;import java.util.concurrent.ForkJoinPool;import java.util.concurrent.Future;import java.util.concurrent.RecursiveTask;import java.util.concurrent.TimeUnit;import java.util.concurrent.TimeoutException;/*** Created by hujian06 on 2017/9/28.** fork/join demo*/public class ForkJoinDemo { /**  * how to find the max number in array by Fork/Join  */ private static class MaxNumber extends RecursiveTask<Integer> {   private int threshold = 2;   private int[] array; // the data array   private int index0 = 0;   private int index1 = 0;   public MaxNumber(int[] array, int index0, int index1) {     this.array = array;     this.index0 = index0;     this.index1 = index1;   }   @Override   protected Integer compute() {     int max = Integer.MIN_VALUE;     if ((index1 - index0) <= threshold) {       for (int i = index0;i <= index1; i ++) {         max = Math.max(max, array[i]);       }     } else {       //fork/join       int mid = index0 + (index1 - index0) / 2;       MaxNumber lMax = new MaxNumber(array, index0, mid);       MaxNumber rMax = new MaxNumber(array, mid + 1, index1);       lMax.fork();       rMax.fork();       int lm = lMax.join();       int rm = rMax.join();       max = Math.max(lm, rm);     }     return max;   } } public static void main(String ... args) throws ExecutionException, InterruptedException, TimeoutException {   ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();   int[] array = {100,400,200,90,80,300,600,10,20,-10,30,2000,1000};   MaxNumber task = new MaxNumber(array, 0, array.length - 1);   Future<Integer> future = pool.submit(task);   System.out.println("Result:" + future.get(1, TimeUnit.SECONDS)); }}

可以通过设置不同的阈值来拆分成小任务，阈值越小代表拆出来的小任务越多。

工作窃取算法

Fork/Join在实现上，大任务拆分出来的小任务会被分发到不同的队列里面，每一个队列都会用一个线程来消费，这是为了获取任务时的多线程竞争，但是某些线程会提前消费完自己的队列。而有些线程没有及时消费完队列，这个时候，完成了任务的线程就会去窃取那些没有消费完成的线程的任务队列，为了减少线程竞争，Fork/Join使用双端队列来存取小任务，分配给这个队列的线程会一直从头取得一个任务然后执行，而窃取线程总是从队列的尾端拉取task。

Frok/Join框架的实现细节

在上面的示例代码中，我们发现Fork/Join的任务是通过ForkJoinPool来执行的，所以框架的一个核心是任务的fork和join，然后就是这个ForkJoinPool。关于任务的fork和join，我们可以想象，而且也是由我们的代码自己控制的，所以要分析Fork/Join，那么ForkJoinPool最值得研究。

上面的图片展示了ForkJoinPool的类关系图，可以看到本质上它就是一个Executor。在ForkJoinPool里面，有两个特别重要的成员如下：

  volatile WorkQueue[] workQueues;   final ForkJoinWorkerThreadFactory factory;

workQueues 用于保存向ForkJoinPool提交的任务，而具体的执行有ForkJoinWorkerThread执行，而ForkJoinWorkerThreadFactory可以用于生产出ForkJoinWorkerThread。可以看一些ForkJoinWorkerThread，可以发现每一个ForkJoinWorkerThread会有一个pool和一个workQueue，和我们上面描述的是一致的，每个线程都被分配了一个任务队列，而执行这个任务队列的线程由pool提供。

下面我们看一下当我们fork的时候发生了什么：

  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;  }

看上面的fork代码，可以看到首先取到了当前线程，然后判断是否是我们的ForkJoinPool专用线程，如果是，则强制类型转换（向下转换）成ForkJoinWorkerThread，然后将任务push到这个线程负责的队列里面去。如果当前线程不是ForkJoinWorkerThread类型的线程，那么就会走else之后的逻辑，大概的意思是首先尝试将任务提交给当前线程，如果不成功，则使用例外的处理方法，关于底层实现较为复杂，和我们使用Fork/Join关系也不太大，如果希望搞明白具体原理，可以看源码。

下面看一下join的流程：

 public final V join() {    int s;    if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)      reportException(s);    return getRawResult();  }      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();  }      final int doExec() {    int s; boolean completed;    if ((s = status) >= 0) {      try {        completed = exec();      } catch (Throwable rex) {        return setExceptionalCompletion(rex);      }      if (completed)        s = setCompletion(NORMAL);    }    return s;  }     /**   * Implements execution conventions for RecursiveTask.   */  protected final boolean exec() {    result = compute();    return true;  }

上面展示了主要的调用链路，我们发现最后落到了我们在代码里编写的compute方法，也就是执行它，所以，我们需要知道的一点是，fork仅仅是分割任务，只有当我们执行join的时候，我们的额任务才会被执行。

如何使用Fork/Join并行框架

前文首先展示了一个求数组中最大值得例子，然后介绍了“工作窃取算法”，然后分析了Fork/Join框架的一些细节，下面才是我们最关心的，怎么使用Fork/Join框架呢？

为了使用Fork/Join框架，我们只需要继承类RecursiveTask或者RecursiveAction。前者适用于有返回值的场景，而后者适合于没有返回值的场景。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持武林网。

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