Java 并发 (13) -- Fork/Join 框架

1. 简介

1. Fork/Join 并行计算框架主要解决的是分治任务。分治的核心思想是 “分而治之”：将一个大的任务拆分成小的子任务，然后将各个子任务的结果聚合起来从而得到最终结果。

2. Fork/Join 并行计算框架的核心组件是 ForkJoinPool。ForkJoinPool 支持任务窃取机制，能够让所有的线程的工作量基本均衡，不会出现有的线程很忙，而有的线程很闲的情况，所以性能很好。

3. ForkJoinPool 中的任务队列采用的是双端队列，工作线程正常获取任务和 “窃取任务” 分别是从任务队列不同的端消费，这样能避免很多不必要的数据竞争

任务窃取机制是什么？或者说为什么使用任务窃取机制？

假如我们需要做一个比较大的任务，我们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，于是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，比如 A 线程负责处理 A 队列里的任务。但是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。而在这时它们会访问同一个队列，所以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。

2. 精讲

1. 什么是 Fork/Join 框架

Fork/Join 框架是 Java 7 提供了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。

我们再通过 Fork 和 Join 这两个单词来理解下 Fork/Join 框架，Fork 就是把一个大任务切分为若干子任务并行的执行，Join 就是合并这些子任务的执行结果，最后得到这个大任务的结果。比如计算 1+2+ … ＋10000，可以分割成 10 个子任务，每个子任务分别对 1000 个数进行求和，最终汇总这 10 个子任务的结果。Fork/Join 的运行流程图如下：

2. 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。

那么为什么需要使用工作窃取算法呢 ？

假如我们需要做一个比较大的任务，我们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，于是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，比如 A 线程负责处理 A 队列里的任务。但是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。而在这时它们会访问同一个队列，所以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。

工作窃取算法的优点是：充分利用线程进行并行计算，并减少了线程间的竞争；

缺点是：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。

3. Fork/Join 框架的设计

我们已经很清楚 Fork/Join 框架的需求了，那么我们可以思考一下，如果让我们来设计一个 Fork/Join 框架，该如何设计 ？这个思考有助于你理解 Fork/Join 框架的设计。

第一步：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，所以还需要不停的分割，直到分割出的子任务足够小。

第二步：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，而只需要继承它的子类，Fork/Join 框架提供了以下两个子类：
   1. RecursiveAction：用于没有返回结果的任务。
   2. 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。

4. 使用 Fork/Join 框架

让我们通过一个简单的需求来使用下 Fork／Join 框架，需求是：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，如果我们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;public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private static final int THRESHOLD = 2;  // 设置阈值为2private int start;private int end;public CountTask(int start, int end){
    this.start = start;this.end = end;}@Overrideprotected Integer compute() {
    int sum = 0;// 如果任务小于阈值则直接计算boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;if(canCompute){
    for(int i = start; i <= end; i++){
    sum += i;}}else{
    // 如果任务数大于设定的阈值，就继续拆分为两个小的子任务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 forkJoinPoll = new ForkJoinPool();// 生成一个计算任务CountTask task = new CountTask(1, 4);// 执行一个任务Future<Integer> result = forkJoinPoll.submit(task);try {
    System.out.println(result.get());} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();}}
}

通过这个例子让我们再来进一步了解 ForkJoinTask，ForkJoinTask 与一般的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孙任务，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。

5. 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。使用如下代码：

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。

6. Frok/Join 框架的实现原理

ForkJoinPool 由 ForkJoinTask 数组和 ForkJoinWorkerThread 数组组成

1. ForkJoinTask 数组负责存放程序提交给 ForkJoinPool 的任务
2. 而 ForkJoinWorkerThread 数组负责执行这些任务。

1. ForkJoinTask 的 fork() 方法实现原理

当我们调用 ForkJoinTask 的 fork() 方法时，程序会调用 ForkJoinWorkerThread 的 pushTask() 方法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() {
    ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()).pushTask(this);return this;
}

pushTask() 方法把当前任务存放在 ForkJoinTask 数组 queue 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 pushTask(ForkJoinTask<?> t) {
    ForkJoinTask<?>[] q; int s, m;if ((q = queue) != null) {
        // ignore if queue removedlong u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1)) << ASHIFT) + ABASE;UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t);queueTop = s + 1;         // or use putOrderedIntif ((s -= queueBase) <= 2)pool.signalWork();else if (s == m)growQueue();}
}

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。让我们一起看看 ForkJoinTask 的 join() 方法的实现，代码如下：

public final V join() {
    if (doJoin() != NORMAL)return reportResult();elsereturn getRawResult();
}private V reportResult() {
    int s; Throwable ex;if ((s = status) == CANCELLED)throw new CancellationException();if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != null)UNSAFE.throwException(ex);return getRawResult();
}

首先，它调用了 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，任务状态有四种：已完成（NORMAL），被取消（CANCELLED），信号（SIGNAL）和出现异常（EXCEPTIONAL）。

1. 如果任务状态是已完成，则直接返回任务结果。
2. 如果任务状态是被取消，则直接抛出 CancellationException。
3. 如果任务状态是抛出异常，则直接抛出对应的异常。

让我们再来分析下 doJoin() 方法的实现代码：

private int doJoin() {
    Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed;if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) {
    if ((s = status) < 0)return s;if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) {
    try {
    completed = exec();} catch (Throwable rex) {
    return setExceptionalCompletion(rex);}if (completed)return setCompletion(NORMAL);}return w.joinTask(this);}elsereturn externalAwaitDone();
}

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了，如果执行完了，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了，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。

Fork/Join 其实就是一种利用多线程来实现 “分治算法” 的并行框架。

分治的基本思路就是：把一个大的任务分成若干个子任务，这些子任务分别计算，最后再 Merge 出最终结果。这个过程通常都会用到递归。