1. Fork/Join是什么
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：
Oracle的官方给出的定义是：Fork/Join框架是一个实现了ExecutorService接口的多线程处理器。它可以把一个大的任务划分为若干个小的任务并发执行，充分利用可用的资源，进而提高应用的执行效率。
1.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
2.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。
Fork/Join实现了ExecutorService，所以它的任务也需要放在线程池中执行。它的不同在于它使用了工作窃取算法，空闲的线程可以从满负荷的线程中窃取任务来帮忙执行。
Fork/Join框架的核心是继承了AbstractExecutorService的ForkJoinPool类，它保证了工作窃取算法和ForkJoinTask的正常工作。
在Java的Fork/Join框架中，使用两个类完成上述操作
1.ForkJoinTask:我们要使用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：
a.RecursiveAction：用于没有返回结果的任务
b.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(工作窃取算法)。
执行方法有同步的：invoke，异步的execute和submit
2. Fork/Join框架的实现原理
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。
2.1 ForkJoinTask的Fork方法的实现原理：
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();
}
}
2.2 ForkJoinTask的Fork方法的实现原理：
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();
}
}
2.3 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() {
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
让我们分析一下doJoin方法的实现
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();
}
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。
2.4 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。
public final Throwable getException() {
int s = status & DONE_MASK;
return ((s >= NORMAL) ? null :
(s == CANCELLED) ? new CancellationException() :
getThrowableException());
}
3. Fork/Join的基本用法
3.1 任务类FrokJoinTask
上文已经提到，Fork/Join就是要讲一个大的任务分割成若干小的任务，所以第一步当然是要做任务的分割，大致方式如下：
if (这个任务足够小){
执行要做的任务
} else {
将任务分割成两小部分
执行两小部分并等待执行结果
}
要实现FrokJoinTask我们需要一个继承了RecursiveTask或RecursiveAction的基类，并根据自身业务情况将上面的代码放入基类的coupute方法中。RecursiveTask和RecursiveAction都继承了FrokJoinTask，它俩的区别就是RecursiveTask有返回值而RecursiveAction没有。下面是我做的一个选出字符串列表中还有"a"的元素的Demo：
@Override
protected List<String> compute() {
// 当end与start之间的差小于阈值时，开始进行实际筛选
if (end - this.start < threshold) {
List<String> temp = list.subList(this.start, end);
return temp.parallelStream().filter(s -> s.contains("a")).collect(Collectors.toList());
} else {
// 如果当end与start之间的差大于阈值时
// 将大任务分解成两个小任务。
int middle = (this.start + end) / 2;
ForkJoinTest left = new ForkJoinTest(list, this.start, middle, threshold);
ForkJoinTest right = new ForkJoinTest(list, middle, end, threshold);
// 并行执行两个“小任务”
left.fork();
right.fork();
// 把两个“小任务”的结果合并起来
List<String> join = left.join();
join.addAll(right.join());
return join;
}
}
3.2 执行类ForkJoinPool
做好了基类就可以开始调用了，调用时首先我们需要Fork/Join线程池ForkJoinPool，然后向线程池中提交一个ForkJoinTask并得到结果。ForkJoinPool的submit方法的入参是一个ForkJoinTask，返回值也是一个ForkJoinTask，它提供一个get方法可以获取到执行结果。
代码如下：
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
// 提交可分解的ForkJoinTask任务
ForkJoinTask<List<String>> future = pool.submit(forkJoinService);
System.out.println(future.get());
// 关闭线程池
pool.shutdown();
就这样我们就完成了一个简单的Fork/Join的开发。
提示：Java8中java.util.Arrays的parallelSort()方法和java.util.streams包中封装的方法也都用到了Fork/Join。
3.3 ForkJoinPool的维护方法
ForkJoinPool提供了一系列的维护方法，比如获取执行线程数量，完成数量，查看偷取任务数等。
4. 实例代码
1. 定义抽象类(用于拓展，此例中没有实际作用，可以不定义此类)：
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
/**
* Description: ForkJoin接口
* Designer: jack
* Date: 2017/8/3
* Version: 1.0.0
*/
public abstract class ForkJoinService<T> extends RecursiveTask<T>{
@Override
protected abstract T compute();
}
2. 任务类
import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;
/**
* Description: ForkJoin基类
* Designer: jack
* Date: 2017/8/3
* Version: 1.0.0
*/
public class ForkJoinTest extends ForkJoinService<List<String>> {
private static ForkJoinTest forkJoinTest;
private int threshold; //阈值
private List<String> list; //待拆分List
private ForkJoinTest(List<String> list, int threshold) {
this.list = list;
this.threshold = threshold;
}
@Override
protected List<String> compute() {
// 当end与start之间的差小于阈值时，开始进行实际筛选
if (list.size() < threshold) {
return list.parallelStream().filter(s -> s.contains("a")).collect(Collectors.toList());
} else {
// 如果当end与start之间的差大于阈值时,将大任务分解成两个小任务。
int middle = list.size() / 2;
List<String> leftList = list.subList(0, middle);
List<String> rightList = list.subList(middle, list.size());
ForkJoinTest left = new ForkJoinTest(leftList, threshold);
ForkJoinTest right = new ForkJoinTest(rightList, threshold);
// 并行执行两个“小任务”
left.fork();
right.fork();
// 把两个“小任务”的结果合并起来
List<String> join = left.join();
join.addAll(right.join());
return join;
}
}
/**
* 获取ForkJoinTest实例
* @param list 待处理List
* @param threshold 阈值
* @return ForkJoinTest实例
*/
public static ForkJoinService<List<String>> getInstance(List<String> list, int threshold) {
if (forkJoinTest == null) {
synchronized (ForkJoinTest.class) {
if (forkJoinTest == null) {
forkJoinTest = new ForkJoinTest(list, threshold);
}
}
}
return forkJoinTest;
}
}
3. 执行类
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.ForkJoinTask;
/**
* Description: Fork/Join执行类
* Designer: jack
* Date: 2017/8/3
* Version: 1.0.0
*/
public class Test {
public static void main(String args[]) throws ExecutionException, InterruptedException {
String[] strings = {"a", "ah", "b", "ba", "ab", "ac", "sd", "fd", "ar", "te", "se", "te",
"sdr", "gdf", "df", "fg", "gh", "oa", "ah", "qwe", "re", "ty", "ui"};
List<String> stringList = new ArrayList<>(Arrays.asList(strings));
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
ForkJoinService<List<String>> forkJoinService = ForkJoinTest.getInstance(stringList, 20);
// 提交可分解的ForkJoinTask任务
ForkJoinTask<List<String>> future = pool.submit(forkJoinService);
System.out.println(future.get());
// 关闭线程池
pool.shutdown();
}
}
参考
http://developer.51cto.com/art/201708/547413.htm
https://www.cnblogs.com/senlinyang/p/7885964.html