聊聊并发编程——原子操作类和Fork/Join框架

目录

原子操作类

实现原子性原理

保证原子性的方法

Fork/Join框架

分而治之

工作窃取算法

Fork/Join框架的设计

示例

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原子操作类

线程A和线程B同时更新变量i进行操作i+1,最后的结果可能i不等于3而是等于2。这是线程不安全的更新操作，一般我们会使用Synchronized解决，但Java提供了更轻量级的选择——原子操作类：一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方法。

JUC下Atomic包一共提供了13个类，属于4中类型的原子更新方式，分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用和原子更新属性：

1. AtomicBoolean： 用于原子性地操作布尔值。

2. AtomicInteger： 用于原子性地操作整数值。

3. AtomicLong： 用于原子性地操作长整数值。

4. AtomicReference： 用于原子性地操作引用类型。

5. AtomicReferenceArray： 用于原子性地操作引用类型的数组。

6. AtomicMarkableReference： 用于同时操作引用类型和布尔标志的原子引用。

7. AtomicStampedReference： 用于同时操作引用类型和整数标志的原子引用。

8. AtomicIntegerArray： 用于原子性地操作整数数组。

9. AtomicLongArray： 用于原子性地操作长整数数组。

10. AtomicReferenceFieldUpdater： 用于原子性地更新指定类中的字段。

11. AtomicIntegerFieldUpdater： 用于原子性地更新指定类中的整数字段。

12. AtomicLongFieldUpdater： 用于原子性地更新指定类中的长整数字段。

13. AtomicAdder： Java 8 引入的类，用于原子性地执行加法操作。

实现原子性原理

一句话：通过Unsafe类使用CAS实现。

// AtomicInteger的添加方法
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    
    return var5;
}

CompareAndSwapInt是一个本地方法，基于CAS操作int类型变量。其他的原子操作基本都是大同小异。

保证原子性的方法

• 使用原子操作类，如AtomicInteger实现i++原子操作

• 使用JUC下的锁，如ReentrantLock，对i++操作加锁lock.loc()实现原子操作

• 使用Synchronized，对i++操作加锁

Fork/Join框架

Fork/Join 框架是 Java 并发编程中的一个重要工具，用于并行处理任务，特别适用于分治算法。其中有两个关键概念：分而治之和工作窃取。

分而治之

将大任务划分为小任务，然后并行地执行这些小任务，最后将它们的结果合并。

工作窃取算法

在执行小任务的过程中，线程可以从其他线程的任务队列中窃取任务，从而保持线程的利用率。

• 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

1. 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，所以还需要不停地分割，直到分割出的子任务足够小。

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。

Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情：

1. 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，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。

示例

使用Fork/Join框架计算1+2+3+4+5+6+7+8+9+10的结果。

1. 如何分割任务？暂定单个子任务最多执行两个数相加，设置分割的阈值是2，那就是3个子任务，最后join3个子任务的结果。因为有结果，所以使用RecursiveTask。

   public class CountTask extends RecursiveTask {
       // 设置阈值
       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，就分裂为两个子任务计算
               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();
               int leftResult = leftTask.join();
               int rightResult = rightTask.join();
               sum = leftResult + rightResult;
           }
           return sum;
       }
   ​
       public static void main(String[] args) {
           ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
           CountTask task = new CountTask(1, 10);
           Future result = forkJoinPool.submit(task);
           try {
               System.out.println(result.get());
           } catch (ExecutionException e) {
               throw new RuntimeException(e);
           } catch (InterruptedException e) {
               throw new RuntimeException(e);
           }
       }
   }

   ForkJoinTask与一般任务的主要区别在于它需要实现compute方法进行任务分割。使用join方法会等待子任务执行完并得到其结果。