【JAVA并发编程专题】Fork/Join框架的理解和使用

一、Fork/Join简介

简单的说，Fork/Join是一个并行任务执行框架，能够把一个大的任务拆分成若干个小任务，并行地进行执行，最终还可以汇总各个小任务的执行结果。比如我们想计算1+2+…+100的结果，我们可以把这个大的任务拆分为10个小的任务，这10个小任务分别是1+…+10、11+…+20、…91+…+100，然后最终把这10个小任务的结果再加起来得到大任务的结果。

工作窃取算法，是指大任务被分成多个小任务的时候，这些小任务会被分到不通的任务队列中，每个任务队列会有一个工作线程来执行任务。但是在有些时候，有的线程会执行的比较快，提前完成了所有任务的执行，那么它就会去别的线程的任务队列中窃取任务进行执行，从而加快整体任务的完成。

但是窃取线程如何保证不和被窃取任务的线程冲突呢？这里用到了双端队列，即任务队列都是这种数据结构，队列绑定的工作线程都从队列头部取任务进行执行，而窃取线程会从别的队列尾部获取任务进行执行。

工作窃取算法充分利用多线程进行并行计算，提高了执行效率，同时使用双端队列减少了线程间的冲突竞争；然后，不能完全避免冲突，比如某个任务队列中仅有一个任务的时候，两个线程同时竞争。还有，该算法会创建多个线程和多个双端队列，对系统资源的消耗会增加。

二、Fork/Join使用

在使用之前，我们需要记住两个概念：

• ForkJoinTask，我们需要自己定义一个ForkJoinTask，用来定义我们需要执行的任务，它可以继承RecursiveAction或者RecursiveTask，从而获取fork和join操作的能力，前者表示不需要返回值，后者则是需要返回值，比如我们上面的1+2+…+100的累加操作则是需要返回值的，所以应该继承RecursiveTask
• ForkJoinPool，类似于线程池，连接池的概念，ForkJoinTask都需要交给ForkJoinPool才能执行。

@Slf4j
public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {
    // 设置最小子任务的阈值
    private static final int taskLimit = 10;
    private int start;
    private int end;

    public CountTask(int start,int end){
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sumResult = 0;
        boolean taskFlag = (end - start) <= taskLimit;
        if(taskFlag){
            log.info("进行计算，当前start为{}，end为{}",start,end);
            // 子任务足够小了，可以开始执行
            for (int i=start;i<=end;i++){
                sumResult += i;
            }
        } else {
            log.info("需要拆分：当前start为{}，end为{}",start,end);
            // 子任务还不是足够小，需要进一步分割
            int middle = (start + end)/2;
            CountTask leftTask = new CountTask(start,middle);
            CountTask rightTask = new CountTask(middle+1, end);

            // 分配任务
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();

            // 等待子任务执行完成，进行结果的合并
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();
            sumResult = leftResult + rightResult;
        }
        log.info("当前计算结果为：{}",sumResult);
        return sumResult;
    }
}

我们在compute中定义任务的拆分粒度和最小任务的执行逻辑，并通过fork和join能力来实现多线程并发。当子任务调用fork的时候，会继续执行子任务的compute；当子任务调用join的时候，会等待其所有子孙任务的执行结果。

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
    // 计算从1累加到100，应该获取5050
    CountTask myTask = new CountTask(1,100);
    ForkJoinTask<Integer> result = forkJoinPool.submit(myTask);
    if(myTask.isCompletedAbnormally()){
        log.warn("发生了异常，{}", myTask.getException());
    }
    log.info("1+2+...+100={}",result.get());
}