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Fork Join框架

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Fork Join框架

Fork/Join框架是Java 7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。

package com.example.xppdemo.chapter6;

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

public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private static final int THRESHOLD = 2; // 阈值
    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;
        // 如果任务足够小就计算任务
        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        if (canCompute) {
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                sum += i;
            }
        } else {
            // 如果任务大于阈值,就分裂成两个子任务计算
            int middle = (start + end) / 2;
            CountTask leftTask = new CountTask(start, middle);
            CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, end);
            // 执行子任务
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();
            // 等待子任务执行完,并得到其结果
            int leftResult=leftTask.join();
            int rightResult=rightTask.join();
            // 合并子任务
            sum = leftResult + rightResult;
        }
        return sum;
    }
    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        // 生成一个计算任务,负责计算1+2+3+4
        CountTask task = new CountTask(1, 4);
        // 执行一个任务
        Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
        try {
            System.out.println(result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
        } catch (ExecutionException e) {
        }
    }
}
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ForkJoinTask与一般任务的主要区别在于它需要实现compute方法,在这个方法里,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。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,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。使用join方法会等待子任务执行完并得到其结果。

Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情。 ①ForkJoinTask:我们要使用ForkJoin框架,必须首先创建一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行fork()和join()操作的机制。通常情况下,我们不需要直接继承ForkJoinTask类,只需要继承它的子类,Fork/Join框架提供了以下两个子类。

  • RecursiveAction:用于没有返回结果的任务。

  • RecursiveTask:用于有返回结果的任务。

②ForkJoinPool:ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行。 任务分割出的子任务会添加到当前工作线程所维护的双端队列中,进入队列的头部。当 一个工作线程的队列里暂时没有任务时,它会随机从其他工作线程的队列的尾部获取一个任务。

Fork/Join框架的实现原理

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成,ForkJoinTask数组负责将存放程序提交给ForkJoinPool的任务,而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。

(1)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方法异步地执行这个任务,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;
}
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workQueue.push:

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();
    }
}
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pushTask方法把当前任务存放在ForkJoinTask数组队列里。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。

(2)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

public final V join() {
    int s;
    if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
        reportException(s);
    return getRawResult();
}
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它调用了doJoin()方法,通过doJoin()方法得到当前任务的状态来判断返回什么结 果,任务状态有4种:已完成(NORMAL)、被取消(CANCELLED)、信号(SIGNAL)和出现异常(EXCEPTIONAL)。

  • 如果任务状态是已完成,则直接返回任务结果。
  • 如果任务状态是被取消,则直接抛出CancellationException。
  • 如果任务状态是抛出异常,则直接抛出对应的异常。
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();
}
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在doJoin()方法里,首先通过查看任务的状态,看任务是否已经执行完成,如果执行完成,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,则设置任务状态为NORMAL,如果出现异常,则记录异常,并将任务状态设置为EXCEPTIONAL。

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