JAVA并行框架：Fork/Join

背景

虽然目前处理器核心数已经发展到很大数目，但是按任务并发处理并不能完全充分的利用处理器资源，因为一般的应用程序没有那么多的并发处理任务。基于这种现状，考虑把一个任务拆分成多个单元，每个单元分别得到执行，最后合并每个单元的结果。

Fork/Join框架是JAVA7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。

工作窃取算法

指的是某个线程从其他队列里窃取任务来执行。使用的场景是一个大任务拆分成多个小任务，为了减少线程间的竞争，把这些子任务分别放到不同的队列中，并且每个队列都有单独的线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应。但是会出现这样一种情况：A线程处理完了自己队列的任务，B线程的队列里还有很多任务要处理。A是一个很热情的线程，想过去帮忙，但是如果两个线程访问同一个队列，会产生竞争，所以A想了一个办法，从双端队列的尾部拿任务执行。而B线程永远是从双端队列的头部拿任务执行（任务是一个个独立的小任务），这样感觉A线程像是小偷在窃取B线程的东西一样。

工作窃取算法的优点：

利用了线程进行并行计算，减少了线程间的竞争。

工作窃取算法的缺点：

1、如果双端队列中只有一个任务时，线程间会存在竞争。      
2、窃取算法消耗了更多的系统资源，如会创建多个线程和多个双端队列。

框架设计

Fork/Join中两个重要的类：

1、ForkJoinTask：使用该框架，需要创建一个ForkJoin任务，它提供在任务中执行fork和join操作的机制。一般情况下，我们并不需要直接继承ForkJoinTask类，只需要继承它的子类，它的子类有两个：

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：任务ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行。

package test;

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;


public class CountTask extends RecursiveTask<Integer>
{
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    //阈值
    private static final int THRESHOLD = 2;
    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;
        //判断任务是否足够小
        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        if(canCompute)
        {
            //如果小于阈值，就进行运算
            for(int i=start; i<=end; i++)
            {
                sum += i;
            }
        }
        else
        {
            //如果大于阈值，就再进行任务拆分
            int middle = (start + end)/2;
            CountTask leftTask = new  CountTask(start,middle);
            CountTask rightTask = new  CountTask(middle+1,end);
            //执行子任务
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();
            //等待子任务执行完，并得到执行结果
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();
            //合并子任务
            sum = leftResult + rightResult;
            
        }
        return sum;
    }
    
    public static void main(String[] args)
    {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        CountTask task = new CountTask(1,6);
        //执行一个任务
        Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
        try
        {
            System.out.println(result.get());
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        catch (ExecutionException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        
    }
    
}

这个程序是将1+2+3+4+5+6拆分成1+2；3+4；5+6三个部分进行子程序进行计算后合并。

源码解读

leftTask.fork()

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;
    }

fork方法内部会先判断当前线程是否是ForkJoinWorkerThread的实例，如果满足条件，则将task任务push到当前线程所维护的双端队列中。

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();
            }
        }

在push方法中，会调用ForkJoinPool的signalWork方法唤醒或创建一个工作线程来异步执行该task任务。

join

public final V join() {
       int s;
       if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
           reportException(s);
       return getRawResult();
   }

通过doJoin方法返回的任务状态来判断，如果不是NORMAL，则抛异常

private void reportException(int s) {
        if (s == CANCELLED)
            throw new CancellationException();
        if (s == EXCEPTIONAL)
            rethrow(getThrowableException());
    }

来看下doJoin方法：

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();
    }

先查看任务状态，如果已经完成，则直接返回任务状态；如果没有完成，则从任务队列中取出任务并执行。