什么是 Fork/Join 框架

Fork/Join 框架是一種在 JDk 7 引入的線程池，用于并行執(zhí)行把一個(gè)大任務(wù)拆成多個(gè)小任務(wù)并行執(zhí)行，最終匯總每個(gè)小任務(wù)結(jié)果得到大任務(wù)結(jié)果的特殊任務(wù)。通過其命名也很容易看出框架主要分為 Fork 和 Join 兩個(gè)階段，第一階段 Fork 是把一個(gè)大任務(wù)拆分為多個(gè)子任務(wù)并行的執(zhí)行，第二階段 Join 是合并這些子任務(wù)的所有執(zhí)行結(jié)果，最后得到大任務(wù)的結(jié)果。

這里不難發(fā)現(xiàn)其執(zhí)行主要流程：首先判斷一個(gè)任務(wù)是否足夠小，如果任務(wù)足夠小，則直接計(jì)算，否則，就拆分成幾個(gè)更小的小任務(wù)分別計(jì)算，這個(gè)過程可以反復(fù)的拆分成一系列小任務(wù)。Fork/Join 框架是一種基于 分治 的算法，通過拆分大任務(wù)成多個(gè)獨(dú)立的小任務(wù)，然后并行執(zhí)行這些小任務(wù)，最后合并小任務(wù)的結(jié)果得到大任務(wù)的最終結(jié)果，通過并行計(jì)算以提高效率。。

Fork/Join 框架使用示例

下面通過一個(gè)計(jì)算列表中所有元素的總和的示例來看看 Fork/Join 框架是如何使用的，總的思路是：將這個(gè)列表分成許多子列表，然后對(duì)每個(gè)子列表的元素進(jìn)行求和，然后，我們?cè)儆?jì)算所有這些值的總和就得到原始列表的和了。Fork/Join 框架中定義了 ForkJoinTask 來表示一個(gè) Fork/Join 任務(wù)，其提供了 fork()、join() 等操作，通常情況下，我們并不需要直接繼承這個(gè) ForkJoinTask 類，而是使用框架提供的兩個(gè) ForkJoinTask 的子類：

• RecursiveAction 用于表示沒有返回結(jié)果的 Fork/Join 任務(wù)。
• RecursiveTask 用于表示有返回結(jié)果的 Fork/Join 任務(wù)。

很顯然，在這個(gè)示例中是需要返回結(jié)果的，可以定義 SumAction 類繼承自 RecursiveTask，代碼入下：

/**
 * @author mghio
 * @since 2021-07-25
 */
public class SumTask extends RecursiveTask<Long> {

  private static final int SEQUENTIAL_THRESHOLD = 50;

  private final List<Long> data;

  public SumTask(List<Long> data) {
    this.data = data;
  }

  @Override
  protected Long compute() {
    if (data.size() <= SEQUENTIAL_THRESHOLD) {
      long sum = computeSumDirectly();
      System.out.format("Sum of %s: %d\n", data.toString(), sum);
      return sum;
    } else {
      int mid = data.size() / 2;
      SumTask firstSubtask = new SumTask(data.subList(0, mid));
      SumTask secondSubtask = new SumTask(data.subList(mid, data.size()));
      // 執(zhí)行子任務(wù)
      firstSubtask.fork();
      secondSubtask.fork();
      // 等待子任務(wù)執(zhí)行完成，并獲取結(jié)果
      long firstSubTaskResult = firstSubtask.join();
      long secondSubTaskResult = secondSubtask.join();
      return firstSubTaskResult + secondSubTaskResult;
    }
  }

  private long computeSumDirectly() {
    long sum = 0;
    for (Long l : data) {
      sum += l;
    }
    return sum;
  }

  public static void main(String[] args) {
    Random random = new Random();

    List<Long> data = random
        .longs(1_000, 1, 100)
        .boxed()
        .collect(Collectors.toList());

    ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
    SumTask task = new SumTask(data);
    pool.invoke(task);

    System.out.println("Sum: " + pool.invoke(task));
  }
}

這里當(dāng)列表大小小于 SEQUENTIAL_THRESHOLD 變量的值（閾值）時(shí)視為小任務(wù)，直接計(jì)算求和列表元素結(jié)果，否則再次拆分為小任務(wù)，運(yùn)行結(jié)果如下：

通過這個(gè)示例代碼可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ork/Join 框架 中 ForkJoinTask 任務(wù)與平常的一般任務(wù)的主要不同點(diǎn)在于：ForkJoinTask 需要實(shí)現(xiàn)抽象方法 compute() 來定義計(jì)算邏輯，在這個(gè)方法里一般通用的實(shí)現(xiàn)模板是，首先先判斷當(dāng)前任務(wù)是否是小任務(wù)，如果是，就執(zhí)行執(zhí)行任務(wù)，如果不是小任務(wù)，則再次拆分為兩個(gè)子任務(wù)，然后當(dāng)每個(gè)子任務(wù)調(diào)用 fork() 方法時(shí)，會(huì)再次進(jìn)入到 compute() 方法中，檢查當(dāng)前任務(wù)是否需要再拆分為子任務(wù)，如果已經(jīng)是小任務(wù)，則執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)并返回結(jié)果，否則繼續(xù)分割，最后調(diào)用 join() 方法等待所有子任務(wù)執(zhí)行完成并獲得執(zhí)行結(jié)果。偽代碼如下：

if (problem is small) {
  directly solve problem.
} else {
  Step 1. split problem into independent parts.
  Step 2. fork new subtasks to solve each part.
  Step 3. join all subtasks.
  Step 4. compose result from subresults.
}

Fork/Join 框架設(shè)計(jì)

Fork/Join 框架核心思想是把一個(gè)大任務(wù)拆分成若干個(gè)小任務(wù)，然后匯總每個(gè)小任務(wù)的結(jié)果最終得到大任務(wù)的結(jié)果，如果讓你設(shè)計(jì)一個(gè)這樣的框架，你會(huì)如何實(shí)現(xiàn)呢？（建議思考一下），F(xiàn)ork/Join 框架的整個(gè)流程正如其名所示，分為兩個(gè)步驟：

• 大任務(wù)分割 需要有這么一個(gè)的類，用來將大任務(wù)拆分為子任務(wù)，可能一次拆分后的子任務(wù)還是比較大，需要多次拆分，直到拆分出來的子任務(wù)符合我們定義的小任務(wù)才結(jié)束。
• 執(zhí)行任務(wù)并合并任務(wù)結(jié)果 第一步拆分出來的子任務(wù)分別存放在一個(gè)個(gè) 雙端隊(duì)列 里面（P.S. 這里為什么要使用雙端隊(duì)列請(qǐng)看下文），然后每個(gè)隊(duì)列啟動(dòng)一個(gè)線程從隊(duì)列中獲取任務(wù)執(zhí)行。這些子任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果都會(huì)放到一個(gè)統(tǒng)一的隊(duì)列中，然后再啟動(dòng)一個(gè)線程從這個(gè)隊(duì)列中拿數(shù)據(jù)，最后合并這些數(shù)據(jù)返回。

Fork/Join 框架使用了如下兩個(gè)類來完成以上兩個(gè)步驟：

• ForkJoinTask 類 在上文的實(shí)例中也有提到，表示 ForkJoin 任務(wù)，在使用框架時(shí)首先必須先定義任務(wù)，通常只需要繼承自 ForkJoinTask 類的子類 RecursiveAction(無返回結(jié)果) 或者 RecursiveTask(有返回結(jié)果)即可。
• ForkJoinPool 從名字也可以猜到一二了，就是用來執(zhí)行 ForkJoinTask 的線程池。大任務(wù)拆分出的子任務(wù)會(huì)添加到當(dāng)前線程的雙端隊(duì)列的頭部。

喜歡思考的你，心中想必會(huì)想到這么一種場(chǎng)景，當(dāng)我們需要完成一個(gè)大任務(wù)時(shí)，會(huì)先把這個(gè)大任務(wù)拆分為多個(gè)獨(dú)立的子任務(wù)，這些子任務(wù)會(huì)放到獨(dú)立的隊(duì)列中，并為每個(gè)隊(duì)列都創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的線程去執(zhí)行隊(duì)列里的任務(wù)，即這里線程和隊(duì)列時(shí)一對(duì)一的關(guān)系，那么當(dāng)有的線程可能會(huì)先把自己隊(duì)列的任務(wù)執(zhí)行完成了，而有的線程則沒有執(zhí)行完成，這就導(dǎo)致一些先執(zhí)行完任務(wù)的線程干等了，這是個(gè)好問題。

既然是做并發(fā)的，肯定要最大程度壓榨計(jì)算機(jī)的性能，對(duì)于這種場(chǎng)景并發(fā)大師 Doug Lea 使用了工作竊取算法處理，使用工作竊取算法后，先完成自己隊(duì)列中任務(wù)的線程會(huì)去其它線程的隊(duì)列中”竊取“一個(gè)任務(wù)來執(zhí)行，哈哈，一方有難，八方支援。但是此時(shí)這個(gè)線程和隊(duì)列的持有線程會(huì)同時(shí)訪問同一個(gè)隊(duì)列，所以為了減少竊取任務(wù)的線程和被竊取任務(wù)的線程之間的競(jìng)爭，F(xiàn)orkJoin 選擇了雙端隊(duì)列這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣就可以按照這種規(guī)則執(zhí)行任務(wù)了：被竊取任務(wù)的線程始終從隊(duì)列頭部獲取任務(wù)并執(zhí)行，竊取任務(wù)的線程使用從隊(duì)列尾部獲取任務(wù)執(zhí)行。這個(gè)算法在絕大部分情況下都可以充分利用多線程進(jìn)行并行計(jì)算，但是在雙端隊(duì)列里只有一個(gè)任務(wù)等極端情況下還是會(huì)存在一定程度的競(jìng)爭。

Fork/Join 框架實(shí)現(xiàn)原理

Fork/Join 框架的實(shí)現(xiàn)核心是 ForkJoinPool 類，該類的重要組成部分為 ForkJoinTask 數(shù)組和 ForkJoinWorkerThread 數(shù)組，其中 ForkJoinTask 數(shù)組用來存放框架使用者給提交給 ForkJoinPool 的任務(wù)，F(xiàn)orkJoinWorkerThread 數(shù)組則負(fù)責(zé)執(zhí)行這些任務(wù)。任務(wù)有如下四種狀態(tài)：

NORMAL 已完成

CANCELLED 被取消

SIGNAL 信號(hào)

EXCEPTIONAL 發(fā)生異常

下面來看看這兩個(gè)類的核心方法實(shí)現(xiàn)原理，首先來看 ForkJoinTask 的 fork() 方法，源碼如下：

方法對(duì)于 ForkJoinWorkerThread 類型的線程，首先會(huì)調(diào)用 ForkJoinWorkerThread 的 workQueue 的 push() 方法異步的去執(zhí)行這個(gè)任務(wù)，然后馬上返回結(jié)果。繼續(xù)跟進(jìn) ForkJoinPool 的 push() 方法，源碼如下：

方法將當(dāng)前任務(wù)添加到 ForkJoinTask 任務(wù)隊(duì)列數(shù)組中，然后再調(diào)用 ForkJoinPool 的 signalWork 方法創(chuàng)建或者喚醒一個(gè)工作線程來執(zhí)行該任務(wù)。然后再來看看 ForkJoinTask 的 join() 方法，方法源碼如下：

方法首先調(diào)用了 doJoin() 方法，該方法返回當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)，根據(jù)返回的任務(wù)狀態(tài)做不同的處理：

• 已完成狀態(tài)則直接返回結(jié)果
• 被取消狀態(tài)則直接拋出異常（CancellationException）
• 發(fā)生異常狀態(tài)則直接拋出對(duì)應(yīng)的異常

繼續(xù)跟進(jìn) doJoin() 方法，方法源碼如下：

方法首先判斷當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)是否已經(jīng)執(zhí)行完成，如果執(zhí)行完成則直接返回任務(wù)狀態(tài)。如果沒有執(zhí)行完成，則從任務(wù)數(shù)組中（workQueue）取出任務(wù)并執(zhí)行，任務(wù)執(zhí)行完成則設(shè)置任務(wù)狀態(tài)為 NORMAL，如果出現(xiàn)異常則記錄異常并設(shè)置任務(wù)狀態(tài)為 EXCEPTIONAL（在 doExec() 方法中）。

總結(jié)

本文主要介紹了 Java 并發(fā)框架中的 Fork/Join 框架的基本原理和其使用的工作竊取算法(work-stealing)、設(shè)計(jì)方式和部分實(shí)現(xiàn)源碼。Fork/Join 框架在 JDK 的官方標(biāo)準(zhǔn)庫中也有應(yīng)用。比如 JDK 1.8+ 標(biāo)準(zhǔn)庫提供的 Arrays.parallelSort(array) 可以進(jìn)行并行排序，它的原理就是內(nèi)部通過 Fork/Join 框架對(duì)大數(shù)組分拆進(jìn)行并行排序，可以提高排序的速度，還有集合中的 Collection.parallelStream() 方法底層也是基于 Fork/Join 框架實(shí)現(xiàn)的，最后就是定義小任務(wù)的閾值往往是需要通過測(cè)試驗(yàn)證才能合理給出，并且保證程序可以達(dá)到最好的性能。

到此這篇關(guān)于Java 并發(fā)中的Fork/Join 框架機(jī)制詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java Fork/Join 框架內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！