Java中的Fork / Join框架使用

1.概述

fork / join框架在Java 7中提供。它提供了一些工具，通过尝试使用所有可用的处理器内核来帮助加速并行处理 - 这是通过分而治之的方法实现的。

实际上，这意味着框架首先“分叉”，递归地将任务分解为较小的独立子任务，直到它们足够简单以便异步执行。

之后，“join”部分开始，其中所有子任务的结果以递归方式连接到单个结果中，或者在返回void的任务的情况下，程序只是等待直到执行每个子任务。

为了提供有效的并行执行，fork / join框架使用一个名为ForkJoinPool的线程池，它管理ForkJoinWorkerThread类型的工作线程。

2. ForkJoinPool

该ForkJoinPool是框架的心脏。它是*ExecutorService的*一个实现，它管理工作线程并为我们提供工具来获取有关线程池状态和性能的信息。

工作线程当时只能执行一个任务，但是ForkJoinPool不会为每个子任务创建单独的线程。相反，池中的每个线程都有自己的双端队列（或deque），用于存储任务。

这种架构对于在工作窃取算法的帮助下平衡线程的工作负载至关重要**。**

2.1 工作窃取算法

简单地说 - 空闲线程试图从繁忙线程的deques中“窃取”工作。

默认情况下，工作线程从其自己的双端队列中获取任务。当它为空时，线程从另一个忙线程的双端队列尾部或全局入口队列中获取任务，因为这是最大的工作可能位于的位置。

这种方法最大限度地减少了线程竞争任务的可能性。它还减少了线程必须寻找工作的次数，因为它首先在最大可用工作块上工作。

2.2 ForkJoinPool实例化

在Java 8中，访问ForkJoinPool实例的最方便方法是使用其静态方法*commonPool（）。顾名思义，这将提供对公共池的引用，公共池是每个ForkJoinTask*的默认线程池。

根据Oracle的文档，使用预定义的公共池可以减少资源消耗，因为这会阻止为每个任务创建单独的线程池。

ForkJoinPool commonPool = ForkJoinPool.commonPool();

通过创建ForkJoinPool并将其分配给实用程序类的公共静态字段，可以在Java 7中实现相同的行为：

public static ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool(2);

现在可以轻松访问：

ForkJoinPool forkJoinPool = PoolUtil.forkJoinPool;

使用ForkJoinPool的构造函数，可以创建具有特定级别的并行性，线程工厂和异常处理程序的自定义线程池。在上面的示例中，池的并行度为2.这意味着池将使用2个处理器核心。

3. ForkJoinTask

ForkJoinTask是ForkJoinPool中执行的任务的基本类型*。在实践中，它的两个子类之一应该扩展：在RecursiveAction为空隙任务和RecursiveTask 该返回值的任务。它们都有一个抽象方法compute（）*，其中定义了任务的逻辑。

3.1 RecursiveAction - 一个例子

在下面的示例中，要处理的工作单元由称为工作负载的String表示。出于演示目的，该任务是一个荒谬的任务：它只是简化其输入并记录它。

为了演示框架的分支行为，如果*工作负载.length（）使用createSubtask（）*方法大于指定的阈值**，该示例将分割任务。

String被递归地划分为子串，创建基于这些子串的CustomRecursiveTask实例。

因此，该方法返回List 。

使用invokeAll（）方法将列表提交给ForkJoinPool：

public class CustomRecursiveAction extends RecursiveAction {
    private String workload = "";
    private static final int THRESHOLD = 4;
    private static Logger logger =  Logger.getAnonymousLogger();
    
    public CustomRecursiveAction(String workload) {
        this.workload = workload;
    }

    @Override
    protected void compute() {
        if (workload.length() > THRESHOLD) {
            ForkJoinTask.invokeAll(createSubtasks());
        } else {
            processing(workload);
        }
    }

    private List createSubtasks() {
        List subtasks = new ArrayList<>();
        String partOne = workload.substring(0, workload.length() / 2);
        String partTwo = workload.substring(workload.length() / 2, workload.length());
        subtasks.add(new CustomRecursiveAction(partOne));
        subtasks.add(new CustomRecursiveAction(partTwo));
        return subtasks;

    }

    private void processing(String work) {
        String result = work.toUpperCase();
        logger.info("This result - (" + result + ") - was processed by " + Thread.currentThread().getName());
    }
}

此模式可用于开发自己的RecursiveAction类*。*要执行此操作，请创建一个表示工作总量的对象，选择合适的阈值，定义分割工作的方法，并定义执行工作的方法。

3.2 RecursiveTask

对于返回值的任务，此处的逻辑类似，除了每个子任务的结果合并在一个结果中：

public class CustomRecursiveTask extends RecursiveTask {
    private int[] arr;
    private static final int THRESHOLD = 20;
    
    public CustomRecursiveTask(int[] arr) {
        this.arr = arr;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        if (arr.length > THRESHOLD) {
            return ForkJoinTask.invokeAll(createSubtasks())
                    .stream()
                    .mapToInt(ForkJoinTask::join)
                    .sum();
        } else {
            return processing(arr);
        }
    }

    private Collection createSubtasks() {
        List dividedTasks = new ArrayList<>();
        dividedTasks.add(new CustomRecursiveTask(Arrays.copyOfRange(arr, 0, arr.length / 2)));
        dividedTasks.add(new CustomRecursiveTask(Arrays.copyOfRange(arr, arr.length / 2, arr.length)));
        return dividedTasks;
    }

    private Integer processing(int[] arr) {
        return Arrays.stream(arr)
                .filter(a -> a > 10 && a < 27)
                .map(a -> a * 10)
                .sum();
    }
}

在此示例中，工作由存储在CustomRecursiveTask类的arr字段中的数组表示。所述*createSubtask（）方法递归地将所述任务成小块工作的，直到每个片是小于阈值。*然后，invokeAll（）方法将子任务提交给公共拉取并返回Future列表。

要触发执行，为每个子任务调用*join（）*方法。

在这个例子中，这是使用Java 8的*Stream API完成的 ; 这个sum（）*方法被用作子结果组合成最终的结果的表示。

4.将任务提交给ForkJoinPool

要将任务提交到线程池，可以使用很少的方法。

在***submit（）***或***execute（）***方法（它们的使用情况是一样的）：

forkJoinPool.execute(customRecursiveTask);

int result = customRecursiveTask.join();

该***execute（）***方法叉任务和结果等待，并且不需要任何手动接合：

int result = forkJoinPool.invoke(customRecursiveTask);

该**invokeAll（）方法是提交序列中最便捷的方式ForkJoinTasks到ForkJoinPool。它将任务作为参数（两个任务，var args或集合），forks它们按照生成它们的顺序返回Future对象的集合。

或者，您可以使用单独的fork（）和join（）方法。在fork（）的方法将任务提交到一个游泳池，但它不会触发它的执行。在join（）方法被用于此目的。在RecursiveAction的情况下，join（）只返回null ; 对于*RecursiveTask ，*它返回任务执行的结果：

customRecursiveTaskFirst.fork();

result = customRecursiveTaskLast.join();

在我们的*RecursiveTask 示例中，我们使用invokeAll（）方法向池提交一系列子任务。使用fork（）和join（）*可以完成相同的工作，但这会对结果的排序产生影响。

为避免混淆，使用invokeAll（）方法向ForkJoinPool提交多个任务通常是个好主意*。*

5 结论

使用fork / join框架可以加速处理大型任务，但要实现这一结果，应遵循一些指导原则：

• 使用尽可能少的线程池 - 在大多数情况下，最好的决定是为每个应用程序或系统使用一个线程池
• 如果不需要特定调整**，请使用默认的公共线程池**
• 使用合理的阈值将ForkJoingTask拆分为子任务
• 避免在 ForkJoingTasks中出现 任何阻塞

欢迎大家关注公众号：「Java知己」，关注公众号，回复「1024」你懂得，免费领取 30 本经典编程书籍。关注我，与 10 万程序员一起进步。 每天更新Java知识哦，期待你的到来！