JUC高并发编程(16) -- Fork/Join 框架
JUC高并发编程
十二、Fork/Join 框架
12.1）Fork/Join框架简介
Fork/Join 可以将一个大的任务拆分成多个子任务进行并行处理，最后将子任务结果合并成最后的计算结果，并进行输出。
Fork/Join框架要完成两件事情：
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Fork：把一个复杂任务进行分拆，大事化小 ；
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Join：把分拆任务的结果进行合并
12.2）Fork/Join框架的实现过程
Fork/Join框架的实现过程如下：
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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 ；
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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。
如下图所示：
12.3）Fork/Join框架的实现原理
在Java的Fork/Join框架中，ForkJoinPool【分支合并池】由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成；使用它们完成任务分割和合并结果操作 ：
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ForkJoinTask数组：负责将存放以及将程序提交给ForkJoinPool；需要通过ForkJoinPool来执行；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：
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RecursiveAction：用于没有返回结果的任务；
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RecursiveTask：用于有返回结果的任务，继承后可以实现递归(自己调自己)调用的任务
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ForkJoinWorkerThread数组：负责执行这些任务；
ForkJoinPool【分支合并池】类似于 线程池，如下图：
12.3.1）Fork方法
Fork(任务分割)：把一个大任务拆分成小任务，如果小任务还是太大还会继续拆分，直到足够小
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 ，源码如下：
public final ForkJoinTask 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，源码如下：
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();
}
}12.3.2）join方法
Join（合并结果）：阻塞当前线程并等待获取结果，将每个任务执行完成得到的结果进行汇总，返回最终结果；
ForkJoinTask 的 join方法的实现，源码如下：
public final V join() {
int s;
if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
reportException(s);
return getRawResult();
}通过调用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
static final int NORMAL = 0xf0000000; // must be negative[已完成]
static final int CANCELLED = 0xc0000000; // must be < NORMAL[被取消]
static final int EXCEPTIONAL = 0x80000000; // must be < CANCELLED[出现异常]
static final int SIGNAL = 0x00010000; // must be >= 1 << 16[信号]-
如果任务状态是已完成，则直接返回任务结果；
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如果任务状态是被取消，则直接抛出CancellationException；
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如果任务状态是抛出异常，则直接抛出对应的异常
doJoin方法的实现 ，源码如下：
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();
}doJoin()方法流程如下:
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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；
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如果没有执行完，则从任务数组里取出任务并执行；
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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
12.3.3）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。
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
12.4）Fork/Join案例
场景: 生成一个计算任务，计算1+2+3.........+100，10个数切分一个子任务
代码如下：
class MyTask extends RecursiveTask {
//拆分差值不能超过10，计算10以内运算
private static final Integer VALUE = 10;
//拆分开始值
private int begin;
//拆分结束值
private int end;
//返回结果
private int result;
//创建有参数构造
public MyTask(int begin, int end) {
this.begin = begin;
this.end = end;
}
//拆分和合并过程
@Override
protected Integer compute() {
//判断相加两个数值是否大于10
if ((end - begin) <= VALUE) {
//相加操作
for (int i = begin; i <= end; i++) {
result = result + i;
}
} else {
//进一步拆分
//获取中间值
int middle = (begin + end) / 2;
//拆分左边
MyTask task01 = new MyTask(begin, middle);
//拆分右边
MyTask task02 = new MyTask(middle + 1, end);
//调用方法拆分
task01.fork();
task02.fork();
//合并结果
result = task01.join() + task02.join();
}
return result;
}
}
public class ForkJoinDemo {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
//创建MyTask对象
MyTask myTask = new MyTask(0, 100);
//创建分支合并池对象
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
ForkJoinTask forkJoinTask = forkJoinPool.submit(myTask);
//获取最终合并之后结果
Integer result = forkJoinTask.get();
System.out.println("计算结果 = " + result);
//关闭池对象
forkJoinPool.shutdown();
}
} 输出：
计算结果 = 5050
12.5）小结
ForkJoin框架主要依赖ForkJoinTask来表示任务，而ForkJoinTask依赖ForkJoinPool来执行任务，ForkJoinPool会创建工作线程去执行任务，执行任务调用的是ForkJoinTask的子类RecursiveTask、RecursiveAction的compute方法。
compute方法需要我们自己实现，在compute方法中可以定义如何拆分方法与组装结果，在拆分成功后调用ForkJoinTask的fork方法可以把任务加载到当前工作线程的队列中。
工作线程执行完一个任务后会从队列中去获取任务继续执行，当队列中没有任务的时候则会从其他工作线程的队列中获取任务。