JDK 多线程系列--ForkJoin 框架详解

一.介绍

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，类似于分而治之的思想。 Fork/Join框架要完成两件事情：
　　1.任务分割：首先Fork/Join框架需要把大的任务分割成足够小的子任务，如果子任务比较大的话还要对子任务进行继续分割
　　2.执行任务并合并结果：分割的子任务分别放到双端队列里，然后几个启动线程分别从双端队列里获取任务执行。子任务执行完的结果都放在另外一个队列里，启动一个线程从队列里取数据，然后合并这些数据。

在Java的Fork/Join框架中，使用两个类完成上述操作：
　　1.ForkJoinTask:我们要使用Fork/Join框架，首先需要创建一个ForkJoin任务。该类提供了在任务中执行fork和join的机制。通常情况下我们不需要直接集成ForkJoinTask类，只需要继承它的子类，Fork/Join框架提供了两个子类：
　　　　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: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(工作窃取算法)。
　　我们可以创建并行度为处理器数量级别的ForkJoinPool实例。

//numberOfProcessors = Runtime.getRunTime().availableProcessors（）;
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool（numberOfProcessors）;

虽然我们指定了池的大小，但是ForkJoinPool 可以自动调整大小，以便可以容纳足够的活动线程。另一方面，与 ExecutorService 不同的是，不需要显式的关闭，因为所有的线程都是守护线程。
提交任务有三种不同的方式ForkJoinPool：

1. execute() /期望的异步执行; 调用它的fork方法来分割多个线程之间的工作。
2. invoke() : //等待获得结果; 在池上调用invoke方法。
3. submit() : //返回一个Future对象，可用于检查状态并在完成时获得结果。

二.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，而ForkJoinWorkerThread负责执行这些任务。

ForkJoinTask的Fork方法的实现原理：

当我们调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会把任务放在ForkJoinWorkerThread的pushTask的workQueue中，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;
    }

    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。代码如下：

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() & DONE_MASK) != NORMAL)
            reportException(s);
        return getRawResult();
    }

它首先调用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
　　让我们分析一下doJoin方法的实现:

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;
    }

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。

Fork/Join框架的异常处理

ForkJoinTask在执行的时候可能会抛出异常，但是我们没办法在主线程里直接捕获异常，所以ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法来检查任务是否已经抛出异常或已经被取消了，并且可以通过ForkJoinTask的getException方法获取异常。使用如下代码：

if(task.isCompletedAbnormally())
{
    System.out.println(task.getException());
}

getException方法返回Throwable对象，如果任务被取消了则返回CancellationException。如果任务没有完成或者没有抛出异常则返回null。

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

[例子]

您将学习如何使用ForkJoinPool和ForkJoinTask类提供的异步方法来管理任务。您将实现一个程序，该程序将在文件夹及其子文件夹中搜索具有确定扩展名的文件。ForkJoinTask您要实现的类将处理文件夹的内容。对于该文件夹中的每个子文件夹，它将ForkJoinPool以异步方式向该类发送新任务。对于该文件夹中的每个文件，该任务将检查文件的扩展名，并将其添加到结果列表中（如果继续）。
具体例子
在FolderProcessor类中，每个任务处理文件夹的内容。如您所知，此内容包含以下两种元素：
1.档
2.其他文件夹
如果任务找到一个文件夹，它会创建另一个Task对象来处理该文件夹，并使用fork（）方法将其发送到池中。此方法将任务发送到将执行它的池（如果它具有空闲工作线程，或者它可以创建新任务）。该方法立即返回，因此任务可以继续处理该文件夹的内容。对于每个文件，任务将其扩展名与其查找的扩展名进行比较，如果它们相等，则将该文件的名称添加到结果列表中。

一旦任务处理了所分配文件夹的所有内容，它就会等待使用join（）方法完成它发送到池的所有任务。在任务中调用的此方法等待其执行的最终化并返回compute（）方法返回的值。该任务将其发送的所有任务的结果与其自己的结果分组，并将该列表作为compute（）方法的返回值返回。

Fork / Join框架和ExecutorService之间的区别

区别主要在：工作窃取算法。
与Executor框架不同，当一个任务正在等待它使用join操作创建的子任务的最终化时，正在执行该任务的线程（称为工作线程）会查找尚未执行的其他任务并开始它的执行。通过这种方式，线程充分利用了它们的运行时间，从而提高了应用程序的性能。

JDK中的应用

Java SE中有一些通常有用的功能，它们已经使用fork / join框架实现。

1） Java SE 8中引入的一个这样的实现由java.util.Arrays类用于其parallelSort（）方法。这些方法类似于sort（），但通过fork / join框架利用并发性。在多处理器系统上运行时，大型数组的并行排序比顺序排序更快。

2）Stream.parallel（）中并行性的使用。

结论

设计好的多线程算法很难，而fork / join并不适用于每种情况。它在自己的适用范围内非常有用，但最终，你必须决定你的问题是否适合框架，如果没有，你必须准备开发自己的解决方案，建立在java.util.concurrent包上。

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参考：

https://howtodoinjava.com/java7/forkjoin-framework-tutorial-forkjoinpool-example/