Java 并发编程 -- Fork/Join 框架

概述

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。
下图是网上流传的 Fork Join 的运行流程图，直接拿过来用了：

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。
那么为什么要使用这个算法呢？
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个互不依赖的子任务，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，而其他线程队列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，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。
工作窃取算法的优缺点：

优点：充分利用线程进行并行计算，减少了线程间的竞争。
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。

Fork/Join 框架工作流程

首先，是分割任务。需要有个fork类来把大任务分割成子任务，有可能子任务还是很大，那么还需要不停的分割，知道分割的任务足够小。
然后，执行任务的合并结果。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 框架的使用

Fork/Join 的使用需要使用两个类：

ForkJoinTask：要使用 Fork/Join 框架首先要创建一个 ForkJoin 任务，它提供在任务中执行 fork() 和 join() 操作的机制。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 框架提供了下面两个子类：
- RecursiveAction：用于没有返回结果的任务。
- RecursizeTask：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暂时没有其他任务时，它会随机从其他工作线程的队列的尾部获取一个任务。
下面我们通过一个简单的例子来了解一下 Fork/Join 框架的使用：计算 1+2+3+…..+10的结果。
使用 Fork/Join 框架首先要考虑的是如何分割任务，这个需要我们在代码里面实现。
因为这个是需要返回结果的任务，因此只能使用 RecursiveTask 来实现。代码如下：

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public static void testForkJoin() {
    ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
    // 生成一个计算任务
    CountTask countTask = new CountTask(1, 10);
    // 执行任务
    Future<Integer> result =  forkJoinPool.submit(countTask);
    int sum = 0;
    try {
        sum = result.get();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    Log.e("Test","sum = "+sum);

}

public static class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {
    // 设置一个阈值
    private static final int  THRESHOLD = 2;
    private int mStart;
    private int mEnd;

    public CountTask(int start, int end) {
        mStart = start;
        mEnd = end;
        Log.e("Test", "CountTask start = "+start+", end= = "+end);
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
        boolean canCompute = (mEnd - mStart) <= THRESHOLD;
        if (canCompute) {
            for(int i = mStart; i<=mEnd;i++){
                sum += i;
            }
        } else {
            // 如果大于阈值，就要继续分割任务
            int middle = (mStart + mEnd) / 2;
            CountTask leftTask = new CountTask(mStart, middle);
            CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, mEnd);
            // 执行子任务
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();
            //等待子任务执行完，并获取执行结果
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();
            // 合并子任务
            sum = leftResult + rightResult;

        }
        return sum;
    }
}

ForkJoinTask 与一般任务的主要区别在于它需要实现 compute 方法，在这个方法里面，首先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，如果不继续分割，则执行当前任务并返回结果。使用 join 方法会等待任务执行完并得到其结果。

Fork/Join 框架的异常处理

ForkJoinTask 在执行任务的时候可能会抛出异常，但是我们没有办法在主线程里直接捕获异常，所以 ForkJoinTask 提供了 isCompletedAbnormally() 方法来判断任务是否已经抛出异常或者已经取消了，并且可以通过 ForkJoinTask 的 getException() 方法获取异常。

if (leftTask.isCompletedAbnormally()) {
    if (leftTask.getException() != null ) {
        leftTask.getException().printStackTrace();
    }
}

getException() 方法返回 Throwable 对象，如果任务取消了则返回 CancellationException。如果任务没有完成或者没有抛出异常则返回 null。

Fork/Join 框架的实现原理

参考

《Java 并发编程的艺术》