- 简介
Master-Worker模式是常用的并行设计模式。它的核心思想是,系统有两个进程协议工作:Master进程和Worker进程。Master进程负责接收和分配任务,Worker进程负责处理子任务。当各个Worker进程将子任务处理完后,将结果返回给Master进程,由Master进行归纳和汇总,从而得到系统结果。处理过程如下图:
Master-Worker模式的好处是,它能将大任务分解成若干个小任务,并发执行,从而提高系统性能。而对于系统请求者Client来说,任务一旦提交,Master进程就会立刻分配任务并立即返回,并不会等系统处理完全部任务再返回,其处理过程是异步的。
- Master-Worker模式结构
Master-Worker模式的主要结构如下图:
如上图所示,Master进程是主要进程,它维护着一个Worker进程队列、子任务队列和子结果集,Worker进程中的Worker进程不断的从任务队列中提取要处理的子任务,并将子任务的处理结果放入到子结果集中。
在上图中,Master:用于任务的分配和最终结果的合并;Worker:用于实际处理一个任务;客户端进程:用于启动系统,调度开启Master。
- Master-Worker模式代码实现
Master代码实现:
1 public class Master { 2 //任务队列 3 protected Queue<Object> workQueue = new ConcurrentLinkedQueue<Object>(); 4 //worker进程队列 5 protected Map<String, Thread> threadMap = new HashMap<String, Thread>(); 6 //结果集 7 protected Map<String, Object> resultMap = new HashMap<String,Object>(); 8 9 //是否所有的子任务都结束 10 11 public boolean isComplete(){ 12 for(Map.Entry<String, Thread> entry:threadMap.entrySet()){ 13 if(entry.getValue().getState()!=Thread.State.TERMINATED){ 14 return false; 15 } 16 } 17 return true; 18 } 19 20 public Master(Worker worker,int countWorker) { 21 worker.setResultMap(resultMap); 22 worker.setWorkQueue(workQueue); 23 for (int i = 0; i < countWorker; i++) { 24 threadMap.put(Integer.toString(i), new Thread(worker,Integer.toString(i))); 25 } 26 } 27 28 //提交任务 29 30 public void submit(Object obj){ 31 workQueue.add(obj); 32 //System.out.println(obj.toString()); 33 } 34 35 36 37 //返回子任务结果集 38 public Map<String, Object> getResultMap() { 39 return resultMap; 40 } 41 42 //开始运行所有worker进程,并进行处理 43 44 public void execute(){ 45 for(Map.Entry<String, Thread> entry:threadMap.entrySet()){ 46 entry.getValue().start(); 47 } 48 } 49 50 }
Worker代码实现:
1 public class Worker implements Runnable { 2 //任务队列 3 protected Queue<Object> workQueue; 4 //子任务结果集 5 protected Map<String,Object> resultMap = new HashMap<String, Object>(); 6 7 8 public void setWorkQueue(Queue<Object> workQueue) { 9 this.workQueue = workQueue; 10 } 11 public void setResultMap(Map<String, Object> resultMap) { 12 this.resultMap = resultMap; 13 } 14 15 public Object handle(Object input){ 16 return input; 17 } 18 @Override 19 public void run() { 20 while(true){ 21 Object input = workQueue.poll(); 22 23 if(null==input) break; 24 //处理子任务 25 Object re = handle(input); 26 resultMap.put(Integer.toString(input.hashCode()),re); 27 //System.out.println(re.toString()); 28 } 29 } 30 31 }
Master-Worker模式是一种串行任务并行化的方法,被分解的子任务在系统中可以并行处理。同时,如果有需要,Master进程不需要所有子任务都执行完成,就可以根据已有的部分结果集计算最终的结果。
现在以上面的Master-Worker实现为基础,来实现计算1-100的立方和。计算将被分解为100个子任务,每个子任务仅用于计算单独的立方和。Master产生固定数目Worker,来处理这些子任务。Worker不断的从任务集合中取出这些计算立方和的子任务,并将计算结果放入到Master的结果集中。Master负责将所有Worker的任务结果进行累加,从而产生最终的立方和。整个计算过程,Worker和Master的运算也是完全异步的,Master进程不必等所有的Worker进程都执行完成,就可以进行求和操作了。也就是所,Master在获取部分子任务的结果集时,就可以对最终结果进行计算了,从而提高了系统的并发性和吞吐量。
计算子任务的实现如下:
1 public class PlusWorker extends Worker { 2 3 @Override 4 public Object handle(Object input) { 5 Integer i = (Integer) input; 6 return i*i*i; 7 } 8 9 }
客户端代码如下:
1 public class Client { 2 public static void main(String[] args) { 3 Master m = new Master(new PlusWorker(), 5);//启动五个线程处理 4 for (int i = 0; i < 100; i++) { 5 m.submit(i); 6 } 7 m.execute(); 8 int re = 0; 9 Map<String, Object> resultMap = m.getResultMap(); 10 while(resultMap.size()>0||!m.isComplete()){ 11 Set<String> keys = resultMap.keySet(); 12 String key = null; 13 for(String k:keys){ 14 key=k; 15 break; 16 } 17 Integer i = null; 18 if(key != null){ 19 i = (Integer) resultMap.get(key); 20 } 21 if(i!=null){ 22 re+=i;//并行计算结果集 23 } 24 25 if(key!=null){ 26 resultMap.remove(key);//将计算完成的结果移除 27 } 28 } 29 30 System.out.println(re); 31 } 32 }
通过Master创建5个Worker工作线程和PlusWorker工作实例。提交完100个任务后,就开始计算子任务。这些子任务,由生成的5个Worker线程共同完成。Master并不等所有的子任务都计算完成,就开始访问子结果集进行最终结果的计算,直到子结果集中所有的数据都被处理,并且5个活跃的Worker线程全部终止,才能求出最终结果。