Fork/Join框架

是什么

Fork/Join框架是Java 7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后得到大任务结果的框架。

Fork: 把一个大任务切分为若干子任务并行的执行

Join: 合并这些子任务的执行结果，最后得到这个大任务的结果。

运行流程图

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。

做一个比较大的任务，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，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。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。

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。

工作窃取流程

工作窃取算法的优缺点：

优点：充分利用线程进行并行计算，减少了线程间的竞争。

缺点：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。并且该算法会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。

Fork/Join框架的设计

步骤1　分割任务。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，所以还需要不停地分割，直到分割出的子任务足够小。

步骤2　执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列里，然后启动几个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。

Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情。

1. ForkJoinTask：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。不需要直接继承ForkJoinTask类，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。
2. 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。

Fork/Join框架基本使用

需求：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，上述需求希望每个子任务最多执行两个数相加，因此，分割阈值设置为2。

有返回结果的任务，所以必须继承RecursiveTask

示例代码如下：

public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {
    /**
     * 阈值
     */
    private static final int THRESHOLD = 2;
    private int start;
    private int end;

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

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
        // 如果任务足够小就计算任务
        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        if (canCompute) {
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                sum += i;
            }
        } else {
            // 如果任务大于阈值，就分割成两个子任务计算
            int middle = (start + end) / 2;
            CountTask leftTask = new CountTask(start, middle);
            CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, end);
            // 执行子任务
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();
            // 等待子任务执行完，并得到其结果
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();
            // 合并子任务
            sum = leftResult + rightResult;
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        // 生成一个计算任务，负责计算1+2+3+4
        CountTask task = new CountTask(1, 4);
        // 执行一个任务
        Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
        try {
            System.out.println(result.get());
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }
}

ForkJoinTask与一般任务的主要区别在于它需要实现compute方法，需要判断任务是否足够小（小于阈值），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子任务，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。

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。

    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。

Fork/Join框架的实现原理

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责将存放程序提交给ForkJoinPool的任务，而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。

工作队列：

static final class WorkQueue {
        static final int INITIAL_QUEUE_CAPACITY = 1 << 13;
        static final int MAXIMUM_QUEUE_CAPACITY = 1 << 26; // 64M

        // Instance fields
        volatile int scanState;    // versioned, <0: inactive; odd:scanning
        int stackPred;             // pool stack (ctl) predecessor
        int nsteals;               // number of steals
        int hint;                  // randomization and stealer index hint
        int config;                // pool index and mode
        volatile int qlock;        // 1: locked, < 0: terminate; else 0
        volatile int base;         // index of next slot for poll
        int top;                   // index of next slot for push
        ForkJoinTask<?>[] array;   // the elements (initially unallocated)
        final ForkJoinPool pool;   // the containing pool (may be null)
        final ForkJoinWorkerThread owner; // owning thread or null if shared
        volatile Thread parker;    // == owner during call to park; else null
        volatile ForkJoinTask<?> currentJoin;  // task being joined in awaitJoin
        volatile ForkJoinTask<?> currentSteal; // mainly used by helpStealer
        
       // ...
}

（1）ForkJoinTask的fork方法实现原理

调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会将任务丢到任务队列里，然后立即返回结果。

    public final ForkJoinTask<V> fork() {
        Thread t;
        if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
            ((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
        else
            ForkJoinPool.common.externalPush(this);
        return this;
    }

static final ForkJoinPool common;
ForkJoinPool.common.externalPush(this);

    final void externalPush(ForkJoinTask<?> task) {
        WorkQueue[] ws; WorkQueue q; int m;
        int r = ThreadLocalRandom.getProbe();
        int rs = runState;
        if ((ws = workQueues) != null && (m = (ws.length - 1)) >= 0 &&
            (q = ws[m & r & SQMASK]) != null && r != 0 && rs > 0 &&
            U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 0, 1)) {
            ForkJoinTask<?>[] a; int am, n, s;
            if ((a = q.array) != null &&
                (am = a.length - 1) > (n = (s = q.top) - q.base)) {
                int j = ((am & s) << ASHIFT) + ABASE;
                U.putOrderedObject(a, j, task);
                U.putOrderedInt(q, QTOP, s + 1);
                U.putIntVolatile(q, QLOCK, 0);
                if (n <= 1)
                    signalWork(ws, q);
                return;
            }
            U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 1, 0);
        }
        externalSubmit(task);
    }

上述代码：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。

（2）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。代码如下：

    public final V join() {
        int s;
        if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
            reportException(s);
        return getRawResult();
    }

    private void reportException(int s) {
        if (s == CANCELLED)
            throw new CancellationException();
        if (s == EXCEPTIONAL)
            rethrow(getThrowableException());
    }

调用了doJoin()方法，通过doJoin()方法得到当前任务的状态与运算来判断返回什么结果，任务状态有4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。

doJoin()方法的实现代码。

    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();
    }

    final int doExec() {
        int s; boolean completed;
        if ((s = status) >= 0) {
            try {
                completed = exec();
            } catch (Throwable rex) {
                return setExceptionalCompletion(rex);
            }
            if (completed)
                s = setCompletion(NORMAL);
        }
        return s;
    }

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；

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，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。