Fork/Join框架

1. Fork/Join框架

Fork/Join框架是Java 7引入的一个用于并行计算的框架，主要用于处理可以被递归分解的问题。它基于“分治”（divide and conquer）的设计思想，能够自动地将一个大任务拆分成小任务，并行地执行这些小任务，最后将它们的结果合并起来。

• Fork/Join框架的主要组成部分有两个：

  1. ForkJoinPool： 这是Fork/Join框架的核心类，用于管理工作线程池。它具有一些优化策略，例如工作窃取（Work Stealing）算法，可以提高任务的执行效率。

  2. ForkJoinTask： 这是一个抽象类，表示可以被Fork/Join框架执行的任务。它有两个主要的子类：

     • RecursiveTask： 用于有返回值的任务。
     • RecursiveAction： 用于没有返回值的任务。

• Fork/Join框架的基本流程如下：

  1. 任务分割： 当一个大任务到来时，Fork/Join框架会将其拆分成更小的子任务，直到任务足够小而可以直接解决。

  2. 任务执行： 拆分后的子任务会被分配给工作线程池中的工作线程并行执行。

  3. 结果合并： 子任务的执行结果会被合并，形成原始任务的最终结果。

• 举例：以下是一个简单的使用Fork/Join框架计算数组元素和的示例

import java.util.concurrent.RecursiveTask;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;

public class SumTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private static final int THRESHOLD = 5; // 阈值，当数组长度小于等于阈值时，直接计算
    private int[] array;
    private int start;
    private int end;

    public SumTask(int[] array, int start, int end) {
        this.array = array;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        if (end - start <= THRESHOLD) {
            // 直接计算
            int sum = 0;
            for (int i = start; i < end; i++) {
                sum += array[i];
            }
            return sum;
        } else {
            // 拆分任务
            int mid = (start + end) / 2;
            SumTask leftTask = new SumTask(array, start, mid);
            SumTask rightTask = new SumTask(array, mid, end);

            leftTask.fork();
            int rightResult = rightTask.compute();
            int leftResult = leftTask.join();

            // 合并结果
            return leftResult + rightResult;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        int result = forkJoinPool.invoke(new SumTask(array, 0, array.length));
        System.out.println("Sum of array elements: " + result);
    }
}

SumTask 继承自 RecursiveTask，表示一个有返回值的任务。在 compute 方法中，当数组长度小于等于阈值（THRESHOLD）时，直接计算数组元素和；否则，将任务拆分为两个子任务，分别计算左半部分和右半部分，最后合并它们的结果。在 main 方法中，创建一个 ForkJoinPool 对象，并通过 invoke 方法提交一个 SumTask 任务，最终输出数组元素的和。

2. 使用Fork/Join线程池求解斐波那契数列

import java.util.concurrent.RecursiveTask;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;

public class FibonacciTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private final int n;

    public FibonacciTask(int n) {
        this.n = n;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        if (n <= 1) {
            return n;
        } else {
            FibonacciTask fib1 = new FibonacciTask(n - 1);
            FibonacciTask fib2 = new FibonacciTask(n - 2);
            fib1.fork();
            return fib2.compute() + fib1.join();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int n = 10; // 求解斐波那契数列的第n项
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        int result = forkJoinPool.invoke(new FibonacciTask(n));
        System.out.println("Fibonacci(" + n + ") = " + result);
    }
}

FibonacciTask 继承了 RecursiveTask 类，表示一个可以递归拆分的任务。在 compute 方法中，如果 n 小于等于 1，则直接返回 n；否则，创建两个新的 FibonacciTask 分别计算 n-1 和 n-2 的斐波那契数，然后通过 fork 和 join 方法实现并行计算。

在 main 方法中，创建一个 ForkJoinPool 对象，并通过 invoke 方法提交一个 FibonacciTask 任务，最终输出斐波那契数列的第n项的结果。

FibonacciTask 继承了 RecursiveTask 类，表示一个可以递归拆分的任务。在 compute 方法中，如果 n 小于等于 1，则直接返回 n；否则，创建两个新的 FibonacciTask 分别计算 n-1 和 n-2 的斐波那契数，然后通过 fork 和 join 方法实现并行计算。

在 main 方法中，创建一个 ForkJoinPool 对象，并通过 invoke 方法提交一个 FibonacciTask 任务，最终输出斐波那契数列的第n项的结果。