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/Join框架要完成两件事情:
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
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
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。通常情况下我们不需要直接集成ForkJoinTask类,只需要继承它的子类,Fork/Join框架提供了两个子类:
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(工作窃取算法);
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,而ForkJoinWorkerThread负责执行这些任务;
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,代码如下:
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; }
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。代码如下:
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(); } }
Join方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。让我们一起看看ForkJoinTask的join方法的实现,代码如下:
public final V join() { int s; if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL){ reportException(s); } return getRawResult(); }
它首先调用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: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(); }
doExec() :
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; }
在doJoin()方法里,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
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。代码如下:
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:
public final Throwable getException() { int s = status & DONE_MASK; return ((s >= NORMAL) ? null : (s == CANCELLED) ? new CancellationException() : getThrowableException()); }
需求:求1+2+3+4的结果
分析:Fork/Join框架首先要考虑到的是如何分割任务,如果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:
import java.util.concurrent.ExecutionException; import java.util.concurrent.ForkJoinPool; import java.util.concurrent.Future; import java.util.concurrent.RecursiveTask; /** * * @author aikq * @date 2018年11月21日 20:37 */ public class ForkJoinTaskDemo { public static void main(String[] args) { ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool(); CountTask task = new CountTask(1,4); Future<Integer> result = pool.submit(task); try { System.out.println("计算结果=" + result.get()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (ExecutionException e) { e.printStackTrace(); } } } class CountTask extends RecursiveTask<Integer>{ private static final long serialVersionUID = -7524245439872879478L; private static final int THREAD_HOLD = 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 boolean canCompute = (end - start) <= THREAD_HOLD; if(canCompute){ for(int i=start;i<=end;i++){ sum += i; } }else{ int middle = (start + end) / 2; CountTask left = new CountTask(start,middle); CountTask right = new CountTask(middle+1,end); //执行子任务 left.fork(); right.fork(); //获取子任务结果 int lResult = left.join(); int rResult = right.join(); sum = lResult + rResult; } return sum; } }
通过这个例子,我们进一步了解ForkJoinTask,ForkJoinTask与一般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
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