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    聊聊并发(八)——Fork/Join框架介绍

    本文首发于InfoQ

    1. 什么是Fork/Join框架

    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。

    我们再通过Fork和Join这两个单词来理解下Fork/Join框架,Fork就是把一个大任务切分为若干子任务并行的执行,Join就是合并这些子任务的执行结果,最后得到这个大任务的结果。比如计算1+2+。。+10000,可以分割成10个子任务,每个子任务分别对1000个数进行求和,最终汇总这10个子任务的结果。Fork/Join的运行流程图如下:


    2. 工作窃取算法

    工作窃?。╳ork-stealing)算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。工作窃取的运行流程图如下:

    fj

    那么为什么需要使用工作窃取算法呢?假如我们需要做一个比较大的任务,我们可以把这个任务分割为若干互不依赖的子任务,为了减少线程间的竞争,于是把这些子任务分别放到不同的队列里,并为每个队列创建一个单独的线程来执行队列里的任务,线程和队列一一对应,比如A线程负责处理A队列里的任务。但是有的线程会先把自己队列里的任务干完,而其他线程对应的队列里还有任务等待处理。干完活的线程与其等着,不如去帮其他线程干活,于是它就去其他线程的队列里窃取一个任务来执行。而在这时它们会访问同一个队列,所以为了减少窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争,通?;崾褂盟硕恿?,被窃取任务线程永远从双端队列的头部拿任务执行,而窃取任务的线程永远从双端队列的尾部拿任务执行。

    工作窃取算法的优点是充分利用线程进行并行计算,并减少了线程间的竞争,其缺点是在某些情况下还是存在竞争,比如双端队列里只有一个任务时。并且消耗了更多的系统资源,比如创建多个线程和多个双端队列。

    3. Fork/Join框架的介绍

    我们已经很清楚Fork/Join框架的需求了,那么我们可以思考一下,如果让我们来设计一个Fork/Join框架,该如何设计?这个思考有助于你理解Fork/Join框架的设计。

    第一步分割任务。首先我们需要有一个fork类来把大任务分割成子任务,有可能子任务还是很大,所以还需要不停的分割,直到分割出的子任务足够小。

    第二步执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列里,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统一放在一个队列里,启动一个线程从队列里拿数据,然后合并这些数据。

    Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情:

    • ForkJoinTask:我们要使用ForkJoin框架,必须首先创建一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行fork()和join()操作的机制,通常情况下我们不需要直接继承ForkJoinTask类,而只需要继承它的子类,Fork/Join框架提供了以下两个子类:
      • RecursiveAction:用于没有返回结果的任务。
      • RecursiveTask :用于有返回结果的任务。
    • 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。

    4. 使用Fork/Join框架

    让我们通过一个简单的需求来使用下Fork/Join框架,需求是:计算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,如果我们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:

    packagefj;
    
    importjava.util.concurrent.ExecutionException;
    
    importjava.util.concurrent.ForkJoinPool;
    
    importjava.util.concurrent.Future;
    
    importjava.util.concurrent.RecursiveTask;
    
    publicclassCountTaskextendsRecursiveTask {
    
           privatestaticfinalintTHRESHOLD= 2;//阈值
    
           privateintstart;
    
           privateintend;
    
           publicCountTask(intstart,intend) {
    
                       this.start= start;
    
                       this.end= end;
    
            }
    
           @Override
    
           protectedInteger compute() {
    
                       intsum = 0;
    
                       //如果任务足够小就计算任务
    
                       booleancanCompute = (end-start) <=THRESHOLD;
    
                       if(canCompute) {
    
                                  for(inti =start; i <=end; i++) {
    
                                               sum += i;
    
                                   }
    
                        }else{
    
                                  //如果任务大于阀值,就分裂成两个子任务计算
    
                                  intmiddle = (start+end) / 2;
    
                                   CountTask leftTask =newCountTask(start, middle);
    
                                   CountTask rightTask =newCountTask(middle + 1,end);
    
                                  //执行子任务
    
                                   leftTask.fork();
    
                                   rightTask.fork();
    
                                  //等待子任务执行完,并得到其结果
    
                                  intleftResult=leftTask.join();
    
                                  intrightResult=rightTask.join();
    
                                  //合并子任务
    
                                   sum = leftResult  + rightResult;
    
                        }
    
                       returnsum;
    
            }
    
           publicstaticvoidmain(String[] args) {
    
                        ForkJoinPool forkJoinPool =newForkJoinPool();
    
                       //生成一个计算任务,负责计算1+2+3+4
    
                        CountTask task =newCountTask(1, 4);
    
                       //执行一个任务
    
                        Future result = forkJoinPool.submit(task);
    
                       try{
    
                                   System.out.println(result.get());
    
                        }catch(InterruptedException e) {
    
                        }catch(ExecutionException e) {
    
                        }
    
            }
    
    }
    

    通过这个例子让我们再来进一步了解ForkJoinTask,ForkJoinTask与一般的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孙任务,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。

    5. 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?;蛞丫蝗∠?,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。

    6. Fork/Join框架的实现原理

    ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成,ForkJoinTask数组负责存放程序提交给ForkJoinPool的任务,而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。

    ForkJoinTask的fork方法实现原理。当我们调用ForkJoinTask的fork方法时,程序会调用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法异步的执行这个任务,然后立即返回结果。代码如下:

    public final ForkJoinTask fork() {
            ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())
                .pushTask(this);
            return this;
    }
    

    pushTask方法把当前任务存放在ForkJoinTask 数组queue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 pushTask(ForkJoinTask t) {
            ForkJoinTask[] q; int s, m;
            if ((q = queue) != null) {    // ignore if queue removed
                long u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1)) << ASHIFT) + ABASE;
                UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t);
                queueTop = s + 1;         // or use putOrderedInt
                if ((s -= queueBase) <= 2)
                    pool.signalWork();
    	else if (s == m)
                    growQueue();
            }
        }
    

    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() {
            if (doJoin() != NORMAL)
                return reportResult();
            else
                return getRawResult();
    }
    private V reportResult() {
            int s; Throwable ex;
            if ((s = status) == CANCELLED)
                throw new CancellationException();
    if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != null)
                UNSAFE.throwException(ex);
            return getRawResult();
    }
    

    首先,它调用了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,任务状态有四种: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。

    让我们再来分析下doJoin()方法的实现代码:

    private int doJoin() {
            Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed;
            if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) {
                if ((s = status) < 0)
     return s;
                if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) {
                    try {
                        completed = exec();
                    } catch (Throwable rex) {
                        return setExceptionalCompletion(rex);
                    }
                    if (completed)
                        return setCompletion(NORMAL);
                }
                return w.joinTask(this);
            }
            else
                return externalAwaitDone();
        }
    

    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了,如果执行完了,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了,则设置任务状态为NORMAL,如果出现异常,则纪录异常,并将任务状态设置为EXCEPTIONAL。

    7. 参考资料

    • JDK1.7源码
    • http://www.gofansmi6.com/fork-join-5/

    原创文章,转载请注明: 转载自并发编程网 – www.gofansmi6.com本文链接地址: 聊聊并发(八)——Fork/Join框架介绍


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    • 评论 (5)
      • heipacker
      • 2014/05/16 8:29下午

      感觉没写完的样子啊。

      • hsxwtogether
      • 2015/01/30 4:09下午

      多谢分享

      • 深蓝色
      • 2015/08/24 2:41下午

      一直在学习Java并发的知识,站点很nice

      • mushishi
      • 2017/06/18 11:40下午

      第一个流程图挂了 可以修复下么

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