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Fork/Join框架詳解

Fork/Join框架詳解

Fork/Join框架是Java 7提供的一個用於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。Fork/Join框架要完成兩件事情:

  • 任務分割:首先Fork/Join框架需要把大的任務分割成足夠小的子任務,如果子任務比較大的話還要對子任務進行繼續分割

  • 執行任務併合並結果:分割的子任務分別放到雙端隊列里,然後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放在另外一個隊列里,啟動一個線程從隊列里取數據,然後合併這些數據

ForkJoinTask

使用Fork/Join框架,首先需要創建一個ForkJoin任務。該類提供了在任務中執行fork和join的機制。通常情況下我們不需要直接集成ForkJoinTask類,只需要繼承它的子類,Fork/Join框架提供了兩個子類:

  • RecursiveAction
    用於沒有返回結果的任務
  • RecursiveTask
    用於有返回結果的任務

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(工作竊取算法);

Fork/Join框架的實現原理

ForkJoinPool由ForkJoinTask數組和ForkJoinWorkerThread數組組成,ForkJoinTask數組負責將存放程序提交給ForkJoinPool,而ForkJoinWorkerThread負責執行這些任務;

ForkJoinTask的fork方法的實現原理

當我們調用ForkJoinTask的fork方法時,程序會把任務放在ForkJoinWorkerThread的pushTask的workQueue中,異步地執行這個任務,然後立即返回結果,代碼如下:

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;
}

pushTask方法把當前任務存放在ForkJoinTask數組隊列里。然後再調用ForkJoinPool的signalWork()方法喚醒或創建一個工作線程來執行任務。代碼如下:

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

ForkJoinTask的join方法的實現原理

Join方法的主要作用是阻塞當前線程並等待獲取結果。讓我們一起看看ForkJoinTask的join方法的實現,代碼如下:

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

它首先調用doJoin方法,通過doJoin()方法得到當前任務的狀態來判斷返回什麼結果,任務狀態有4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;
doJoin方法的實現,代碼如下:

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();
}

doExec() :

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;
}

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成,如果執行完成,則直接返回任務狀態;如果沒有執行完,則從任務數組裡取出任務並執行。如果任務順利執行完成,則設置任務狀態為NORMAL,如果出現異常,則記錄異常,並將任務狀態設置為EXCEPTIONAL

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,並且可以通過ForkJoinTask的getException方法獲取異常。代碼如下:

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:

public final Throwable getException() {
    int s = status & DONE_MASK;
    return ((s >= NORMAL) ? null :
        (s == CANCELLED) ? new CancellationException() :
        getThrowableException());
}

DEMO

需求:求1+2+3+4的結果
分析:Fork/Join框架首先要考慮到的是如何分割任務,如果希望每個子任務最多執行兩個數的相加,那麼我們設置分割的閾值是2,由於是4個数字相加,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,然後再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:

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;

/**
 *
 * @author aikq
 * @date 2018年11月21日 20:37
 */
public class ForkJoinTaskDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        CountTask task = new CountTask(1,4);
        Future<Integer> result = pool.submit(task);
        try {
            System.out.println("計算結果=" + result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class CountTask extends RecursiveTask<Integer>{
    private static final long serialVersionUID = -7524245439872879478L;

    private static final int THREAD_HOLD = 2;

    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;
        //如果任務足夠小就計算
        boolean canCompute = (end - start) <= THREAD_HOLD;
        if(canCompute){
            for(int i=start;i<=end;i++){
                sum += i;
            }
        }else{
            int middle = (start + end) / 2;
            CountTask left = new CountTask(start,middle);
            CountTask right = new CountTask(middle+1,end);
            //執行子任務
            left.fork();
            right.fork();
            //獲取子任務結果
            int lResult = left.join();
            int rResult = right.join();
            sum = lResult + rResult;
        }
        return sum;
    }
}

通過這個例子,我們進一步了解ForkJoinTask,ForkJoinTask與一般任務的主要區別在於它需要實現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子任務,如果不需要繼續分割,則執行當前子任務並返回結果。使用join方法會等待子任務執行完並得到其結果

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