Fork/Join框架

Fork/Join框架

  本节将会介绍Fork/Join框架的基本原理、算法、设计方式、应用与实现等。


第一节 什么是Fork/Join框架

  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。

  我们再通过Fork和Join这两个单词来理解一下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的运行流程如下图所示。

Fork Join的运行流程图


第二节 工作窃取算法

 
  工作窃取(work-stealing)算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。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,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,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,通常会使用双端队列,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。

  工作窃取的运行流程如下图所示。

工作窃取运行流程图

  工作窃取算法的优点:充分利用线程进行并行计算,减少了线程间的竞争。

  工作窃取算法的缺点: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。并且该算法会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。


第三节 Fork/Join框架的设计

  我们已经很清楚Fork/Join框架的需求了,那么可以思考一下,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。

  • 步骤1 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,所以还需要不停地分割,直到分割出的子任务足够小。
  • 步骤2 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。

1 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,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。

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。


第四节 使用Fork/Join框架

  让我们通过一个简单的需求来使用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。

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package fj; 
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 int THRESHOLD = 2;  // 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任务
boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
if (canCompute) {
for (int i = start; i <= end; i++) {
sum += i;
}
} else {
// 如果任务大于阈值,就分裂成两个子任务计算
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,并得到其结果
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();
// 生成一个计算任务,负责计算1+2+3+4
CountTask task = new CountTask(1, 4);
// 执行一个任务
Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
try {
System.out.println(result.get());
} catch (InterruptedException e) {

} catch (ExecutionException e) {

}
}
}

  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。


第五节 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。

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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。

第六节 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的任务,而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。

(1)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方法异步地执行这个任务,然后立即返回结果。代码如下。

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public final ForkJoinTask<V> fork() {        
((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())
.pushTask(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。

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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();
}
}

(2)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。

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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。

  让我们再来分析一下doJoin()方法的实现代码。

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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。


参考博客和文章书籍等:

《Java并发编程的艺术》

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