Fork/Join框架介绍 顺便测试jvm的内存溢出问题

1. 什么是Fork/Join框架

Fork/Join框架是Java7提供了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。

我们再通过Fork和Join这两个单词来理解下Fork/Join框架，Fork就是把一个大任务切分为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。Fork/Join的运行流程图如下：

2. Fork/Join框架的介绍

我们已经很清楚Fork/Join框架的需求了，那么我们可以思考一下，如果让我们来设计一个Fork/Join框架，该如何设计？这个思考有助于你理解Fork/Join框架的设计。

第一步分割任务。首先我们需要有一个fork类来把大任务分割成子任务，有可能子任务还是很大，所以还需要不停的分割，直到分割出的子任务足够小。

第二步执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列里，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统一放在一个队列里，启动一个线程从队列里拿数据，然后合并这些数据。

java.util.concurrent

类 ForkJoinTask

• java.lang.Object
  • java.util.concurrent.ForkJoinTask

• 所有已实现的接口：
  Serializable, Future
  
  直接已知子类：
  RecursiveAction, RecursiveTask

Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情：

• ForkJoinTask：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，而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。
• 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。

3. 使用Fork/Join框架

让我们通过一个简单的需求来使用下Fork／Join框架，需求是：计算1+2+3+4的结果。

使用Fork／Join框架首先要考虑到的是如何分割任务，如果我们希望每个子任务最多执行两个数的相加，那么我们设置分割的阈值是2，由于是4个数字相加，所以Fork／Join框架会把这个任务fork成两个子任务，子任务一负责计算1+2，子任务二负责计算3+4，然后再join两个子任务的结果。因为是有结果的任务，所以必须继承RecursiveTask，实现代码如下：

package Concurrent;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
/**
 *
 * @author zhengchao
 */
public class CalculatorFork_Join extends RecursiveTask {  
  
    private static final int THRESHOLD = 10000;  
    private int start;  
    private int end;  
  
    public CalculatorFork_Join(int start, int end) {  
        this.start = start;  
        this.end = end;  
    }  
  
    @Override  
    protected Long compute() {  
        long sum = 0;  
        if((end - start) < THRESHOLD){  
            for(int i = start; i<= end;i++){  
                sum += i;  
            }  
        }else{  
            int middle = (start + end) /2;  
            CalculatorFork_Join left = new CalculatorFork_Join(start, middle);  
            CalculatorFork_Join right = new CalculatorFork_Join(middle + 1, end);  
            left.fork();  
            right.fork();  
  
            sum = left.join() + right.join();  
        }  
        return sum;  
    }  
}  

package Concurrent;

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

/**
 *
 * @author zhengchao
 */
public class testMain {
    
     public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException{
         
         long start = System.currentTimeMillis();
         ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();  
         Future result = forkJoinPool.submit(new CalculatorFork_Join(0, 1000000));  
         System.out.println("ForkJoinCostTime:"+(System.currentTimeMillis()-start));
         System.out.println(result.get());
         
         start = System.currentTimeMillis();
         long sum = 0;
         for(int i=0;i<=1000000;i++){
             sum+=i;
         }
         System.out.println("CostTime:"+(System.currentTimeMillis()-start));
         System.out.println(sum);
         forkJoinPool.shutdown();
             
     }
}

通过这个例子让我们再来进一步了解ForkJoinTask，ForkJoinTask与一般的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孙任务，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。

性能分析：

1、计算1-10000

run:
ForkJoinCostTime:1
50005000
CostTime:0
50005000
成功构建 (总时间: 0 秒)

数据量较小时，是用Fork/Join效果不明显，甚至不如正常的计算，这是因为创建 Fork/Join耗时了。
2、计算1-100000

run:
ForkJoinCostTime:1
5000050000
CostTime:2
5000050000
成功构建 (总时间: 0 秒)

3、计算1-1000000

run:
ForkJoinCostTime:1
500000500000
CostTime:3
500000500000
成功构建 (总时间: 0 秒)

如果我们将

private static final int THRESHOLD = 10000; 

设置为100，运行计算 计算1-1000000：

run:
ForkJoinCostTime:2
Exception in thread "main" java.util.concurrent.ExecutionException: java.lang.OutOfMemoryError
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.get(ForkJoinTask.java:942)
	at Concurrent.testMain.main(testMain.java:26)
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError
	at sun.reflect.GeneratedConstructorAccessor1.newInstance(Unknown Source)
	at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(DelegatingConstructorAccessorImpl.java:45)
	at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:526)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.getThrowableException(ForkJoinTask.java:536)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.get(ForkJoinTask.java:941)
	... 1 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError
	at sun.reflect.GeneratedConstructorAccessor1.newInstance(Unknown Source)
	at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(DelegatingConstructorAccessorImpl.java:45)
	at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:526)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.getThrowableException(ForkJoinTask.java:536)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.reportResult(ForkJoinTask.java:596)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.join(ForkJoinTask.java:640)
	at Concurrent.CalculatorFork_Join.compute(CalculatorFork_Join.java:40)
	at Concurrent.CalculatorFork_Join.compute(CalculatorFork_Join.java:15)
	at java.util.concurrent.RecursiveTask.exec(RecursiveTask.java:93)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.doExec(ForkJoinTask.java:334)
	at java.util.concurrent.ForkJoinWorkerThread.execTask(ForkJoinWorkerThread.java:604)
	at java.util.concurrent.ForkJoinPool.scan(ForkJoinPool.java:784)
	at java.util.concurrent.ForkJoinPool.work(ForkJoinPool.java:646)
	at java.util.concurrent.ForkJoinWorkerThread.run(ForkJoinWorkerThread.java:398)
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError
	at sun.reflect.GeneratedConstructorAccessor1.newInstance(Unknown Source)
	at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(DelegatingConstructorAccessorImpl.java:45)
	at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:526)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.getThrowableException(ForkJoinTask.java:536)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.reportResult(ForkJoinTask.java:596)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.join(ForkJoinTask.java:640)
	at Concurrent.CalculatorFork_Join.compute(CalculatorFork_Join.java:40)
	at Concurrent.CalculatorFork_Join.compute(CalculatorFork_Join.java:15)
	at java.util.concurrent.RecursiveTask.exec(RecursiveTask.java:93)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.doExec(ForkJoinTask.java:334)
	at java.util.concurrent.ForkJoinWorkerThread.execTask(ForkJoinWorkerThread.java:604)
	at java.util.concurrent.ForkJoinPool.scan(ForkJoinPool.java:762)
	... 2 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError
	... 14 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError
	... 14 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError
	... 14 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError
	... 14 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError
	... 14 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError
	... 14 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError
	... 14 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError
	... 14 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
	at java.lang.Thread.start0(Native Method)
	at java.lang.Thread.start(Thread.java:713)
	at java.util.concurrent.ForkJoinPool.addWorker(ForkJoinPool.java:1132)
	at java.util.concurrent.ForkJoinPool.tryPreBlock(ForkJoinPool.java:1009)
	at java.util.concurrent.ForkJoinPool.tryAwaitJoin(ForkJoinPool.java:1042)
	at java.util.concurrent.ForkJoinWorkerThread.joinTask(ForkJoinWorkerThread.java:731)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.doJoin(ForkJoinTask.java:362)
	at java.util.concurrent.ForkJoinTask.join(ForkJoinTask.java:639)
	... 8 more
Java Result: 1
成功构建 (总时间: 0 秒)

内存溢出了，为什么呢？因为我们创建了太大的线程，导致内存消耗殆尽。

所以，阈值要设定的恰当，否则可能效率并不会提高，设置导致异常的产生。