• JDK1.7之Fork/join


    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:

      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。

      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)。

    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。

      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:

    1 public final ForkJoinTask<V> fork() {
    2         Thread t;
    3         if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
    4             ((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
    5         else
    6             ForkJoinPool.common.externalPush(this);
    7         return this;
    8     }

      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:

     1 final void push(ForkJoinTask<?> task) {
     2             ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;
     3             int b = base, s = top, n;
     4             if ((a = array) != null) {    // ignore if queue removed
     5                 int m = a.length - 1;     // fenced write for task visibility
     6                 U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);
     7                 U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);
     8                 if ((n = s - b) <= 1) {
     9                     if ((p = pool) != null)
    10                         p.signalWork(p.workQueues, this);
    11                 }
    12                 else if (n >= m)
    13                     growArray();
    14             }
    15         }

     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:

    1 public final V join() {
    2         int s;
    3         if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
    4             reportException(s);
    5         return getRawResult();
    6     }

       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

    1 private int doJoin() {
    2         int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;
    3         return (s = status) < 0 ? s :
    4             ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?
    5             (w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).
    6             tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s :
    7             wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :
    8             externalAwaitDone();
    9     }
     1 final int doExec() {
     2         int s; boolean completed;
     3         if ((s = status) >= 0) {
     4             try {
     5                 completed = exec();
     6             } catch (Throwable rex) {
     7                 return setExceptionalCompletion(rex);
     8             }
     9             if (completed)
    10                 s = setCompletion(NORMAL);
    11         }
    12         return s;
    13     }

       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。

    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:

    1 if(task.isCompletedAbnormally())
    2 {
    3     System.out.println(task.getException());
    4 }

      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。

    1 public final Throwable getException() {
    2         int s = status & DONE_MASK;
    3         return ((s >= NORMAL)    ? null :
    4                 (s == CANCELLED) ? new CancellationException() :
    5                 getThrowableException());
    6     }

    使用例子:
      我们通过一个简单的例子来介绍一下Fork/Join框架的使用。需求是求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:

     1 public class CountTask extends RecursiveTask<Integer>{
     2 
     3     private static final int THREAD_HOLD = 2;
     4 
     5     private int start;
     6     private int end;
     7 
     8     public CountTask(int start,int end){
     9         this.start = start;
    10         this.end = end;
    11     }
    12 
    13     @Override
    14     protected Integer compute() {
    15         int sum = 0;
    16         //如果任务足够小就计算
    17         boolean canCompute = (end - start) <= THREAD_HOLD;
    18         if(canCompute){
    19             for(int i=start;i<=end;i++){
    20                 sum += i;
    21             }
    22         }else{
    23             int middle = (start + end) / 2;
    24             CountTask left = new CountTask(start,middle);
    25             CountTask right = new CountTask(middle+1,end);
    26             //执行子任务
    27             left.fork();
    28             right.fork();
    29             //获取子任务结果
    30             int lResult = left.join();
    31             int rResult = right.join();
    32             sum = lResult + rResult;
    33         }
    34         return sum;
    35     }
    36 
    37     public static void main(String[] args){
    38         ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
    39         CountTask task = new CountTask(1,4);
    40         Future<Integer> result = pool.submit(task);
    41         try {
    42             System.out.println(result.get());
    43         } catch (InterruptedException e) {
    44             e.printStackTrace();
    45         } catch (ExecutionException e) {
    46             e.printStackTrace();
    47         }
    48     }
    49 }

      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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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/guanghe/p/9267934.html
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