多线程：Fork和Join详解（带例子）

首先我们得先明白这两个单词是什么意思：

Fork：叉 ; 分岔处，分流处，岔口，岔路 ; 分岔 ;

Join：连接;   接合;   联结;   结合;   联合;   汇合;  加入;

好了，看到这俩的翻译，是不是有所顿悟呢？请君继续看......

1. Java并发的发展历程

–Java 1 支持threads, locks, condition queues

–Java 5 引入了 thread pools, blocking queues, concurrent collections

–Java 7 加入了fork-join库

–Java 8 加入了 parallel streams

2. 基本思想

Fork/Join框架是Java7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。

分治法：把一个规模大的问题划分为规模较小的子问题，然后分而治之，最后合并子问题的解得到原问题的解。

步骤：

1. 分割原问题;
2. 求解子问题;
3. 合并子问题的解为原问题的解。

在分治法中，子问题一般是相互独立的，因此，经常通过递归调用算法来求解子问题。

3. 分治法典型应用

（1）二分搜索

（2）大整数乘法

（3）Strassen矩阵乘法

（4）棋盘覆盖

（5）合并排序

（6）快速排序

（7）线性时间选择

（8）汉诺塔

4. Fork/Join框架的实现原理

4.1 ForkJoinPool

ForkJoinPool 是实现Fork,Join的线程池 - ThreadPool

ForkJoinTask 一个描述ForkJoin的抽象类 Runnable/Callable

RecursiveAction 无返回结果的ForkJoinTask实现Runnable

RecursiveTask<V> 有返回结果的ForkJoinTask实现Callable

CountedCompleter<T> 在任务完成执行后会触发执行一个自定义的钩子函数

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinPool中的所有的工作线程均有一个自己的工作队列WorkQueue：

• ForkJoinTask数组负责将存放程序提交给ForkJoinPool，ForkJoinTask封装了数据及其相应的计算；
• ForkJoinWorkerThread负责执行这些任务；

ForkJoinTask主要包括两个方法分别实现任务的分拆与合并：

　　1、fork()类似于Thread.start()，但是它并不立即执行任务，而是将任务放入工作队列中；

　　2、跟Thread.join()不同，ForkJoinTask的join()方法并不简单的阻塞线程；

4.2 Fork方法的实现原理

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();
    }
}

4.3 join方法的实现原理

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）：直接返回任务结果；
• 被取消（CANCELLED）：直接抛出CancellationException；
• 信号（SIGNAL）
• 出现异常（EXCEPTIONAL）：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。

4.4 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());
}

5. 举个例子

使用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。

计算1+2+...+10000实现代码如下：

public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private static final int THREAD_HOLD = 2;//设置分割阈值

    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;
    }

    public static void main(String[] args){
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        CountTask task = new CountTask(1,10000);
        Future<Integer> result = pool.submit(task);
        try {
            System.out.println(result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 参考及致谢：

1.Fork/Join框架基本使用（里面有一个归并排序的过程图，很好）

2.多线程（五） Fork/Join框架介绍及实例讲解（里面有任务窃取算法思想）

3.Fork-join原理解析（主要借鉴，特别感谢）

Over......