fork/join框架
引用： https://segmentfault.com/a/1190000015152860
引用： http://ifeve.com/talk-concurrency-forkjoin/
1. Fork/Join框架简介
Fork/Join框架是java7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得到大任务结果的框架。Fork指的就是把一个大任务分割成若干子任务并行的执行，
Join就是合并这些子任务的执行结果，最后得到这个大任务的结果。
比如计算1+2+。。＋10000，可以分割成10个子任务，每个子任务分别对1000个数进行求和，最终汇总这10个子任务的结果。
2. Fork/Join框架使用说明
使用Fork/Join框架我们需要两个类：
-
ForkJoinTask：Fork/Join任务，提供fork()和Join()方法，通常情况下继承它的两个子类：
1) RecursiveAction：返回没有结果的任务。 2) RecursiveTask：返回有结果的任务。 ForkJoinPool：ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行。
从ForkJoinTask的两个子类的名字中就可以看到，这是一种采用递归方式实现的任务分割，
任务分割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面暂时没有任务时，
它会随机从其他工作线程队列的尾部获取一个任务去执行。
3. Fork/Join框架实例
3.1 需求：
计算1 + 2 + 3 +……+10 的结果。
3.2 需求分析设计：
使用Fork/Join框架首先要考虑的就是如何分割任务，和分割任务的粒度，这里我们考虑每个子任务最多执行两个数相加，
那我们分割的阈值就是2，Fork/Join框架会把这个任务fork成5个子任务，然后再join5个子任务的结果。
因为是有结果的任务，所以必须继承RecursiveTask。
3.3 代码实例
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
public class ForkJoinTaskTest extends RecursiveTask{
private static final int THRESHOLD = 2; // 阈值
private int start;
private int end;
public ForkJoinTaskTest(int start, int end) {
this.start = start;
this.end = end;
}
@Override
protected Integer compute() {
int sum = 0;
if(end - start < THRESHOLD) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + start + "-" + end);
for(int i = start; i <= end; i++) {
sum += i;
}
}else {
// 任务大于阈值，拆分子任务
int middle = start + (end - start)/2;
ForkJoinTaskTest task1 = new ForkJoinTaskTest(start, middle);
ForkJoinTaskTest task2 = new ForkJoinTaskTest(middle + 1, end);
// 执行子任务
task1.fork();
task2.fork();
// 等待子任务执行完成，并得到其结果
int result1 = task1.join();
int result2 = task2.join();
// 合并子任务
sum = result1 + result2;
}
return sum;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
int start = 1;
int end = 10;
ForkJoinTaskTest task = new ForkJoinTaskTest(start, end);
// 用来执行ForkJoinTask
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
// 执行任务
Future result = pool.submit(task);
System.out.println("最后的结果为：" + result.get());
}
}
运行结果：
ForkJoinPool-1-worker-3:6-7
ForkJoinPool-1-worker-4:9-10
ForkJoinPool-1-worker-3:8-8
ForkJoinPool-1-worker-1:1-2
ForkJoinPool-1-worker-5:4-5
ForkJoinPool-1-worker-4:3-3
最后的结果为：55
可以看到ForkJoinTask与一般的任务在于它需要实现compute()方法，在这个方法里面首先需要判断
是否需要分割子任务，如果需要分割，每个子任务再调用fork方法时，就会进入compute()方法，
如果不需要分割，则执行当前任务并返回结果，使用join方法会等待子任务结果的返回。
可以看到这是一种递归的实现。
4. 工作窃取算法
工作窃取（work-stealing）算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。
那么为什么需要使用工作窃取算法呢？假如我们需要做一个比较大的任务，我们可以把这个任务分割为
若干互不依赖的子任务，为了减少线程间的竞争，于是把这些子任务分别放到不同的队列里，并为每个队列创建
一个单独的线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应，比如A线程负责处理A队列里的任务。
但是有的线程会先把自己队列里的任务干完，而其他线程对应的队列里还有任务等待处理。
干完活的线程与其等着，不如去帮其他线程干活，于是它就去其他线程的队列里窃取一个任务来执行。
而在这时它们会访问同一个队列，所以为了减少窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争，通常会使用双端队列，
被窃取任务线程永远从双端队列的头部拿任务执行，而窃取任务的线程永远从双端队列的尾部拿任务执行。
工作窃取算法的优点是充分利用线程进行并行计算，并减少了线程间的竞争，其缺点是在某些情况下还是存在竞争，
比如双端队列里只有一个任务时。并且消耗了更多的系统资源，比如创建多个线程和多个双端队列。
5. 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。
6. Fork/Join框架的实现原理
ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，
ForkJoinTask数组负责存放程序提交给ForkJoinPool的任务，
而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。
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方法异步的执行这个任务，然后立即返回结果。代码如下：
public final ForkJoinTask fork() {
((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())
.pushTask(this);
return this;
}
pushTask方法把当前任务存放在ForkJoinTask 数组queue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 pushTask(ForkJoinTask t) {
ForkJoinTask[] q;
int s, m;
if ((q = queue) != null) { // ignore if queue removed
long u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1)) << ASHIFT) + ABASE;
UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t);
queueTop = s + 1; // or use putOrderedInt
if ((s -= queueBase) <= 2)
pool.signalWork();
else if (s == m)
growQueue();
}
}
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() {
if (doJoin() != NORMAL)
return reportResult();
else
return getRawResult();
}
private V reportResult() {
int s; Throwable ex;
if ((s = status) == CANCELLED)
throw new CancellationException();
if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != null)
UNSAFE.throwException(ex);
return getRawResult();
}
首先，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，
任务状态有四种：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。
让我们再来分析下doJoin()方法的实现代码：
private int doJoin() {
Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed;
if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) {
if ((s = status) < 0)
return s;
if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) {
try {
completed = exec();
} catch (Throwable rex) {
return setExceptionalCompletion(rex);
}
if (completed)
return setCompletion(NORMAL);
}
return w.joinTask(this);
}
else
return externalAwaitDone();
}
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了，如果执行完了，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了，则设置任务状态为NORMAL，
如果出现异常，则纪录异常，并将任务状态设置为EXCEPTIONAL。
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