浅析Java的Frok/Join框架

一丶Fork/Join框架产生背景：

随着并发需求的不断提高和硬件的不断发展，程序并行执行仿佛就提上日程上来了，伟大的毛主席就说过：“人多力量大”，所以如果一件事可以分配给多个人同时去做，到最后再把完成的事情组合到一起去，那么做事情的效率就会大大提升。用下面的这张图啦感受一下：



一件大事被分为五个处理器来处理（当然分开的这些任务没有依赖性），最终完成合并做成一件大事！

到这里，大家应该对这个框架有一个简单的认识了吧！

Fork/Join框架是Java1.7开始提供的一个并行执行框架，结合上面的讲述，再结合Fork/Join的字面意思我们可以知道，先Fork（分叉），再结合！

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二丶工作窃取算法

想必只要提到Fork/Join框架，都要提到工作窃取算法，工作窃取是指在分别完成分配的事情时，如果工作结束早的线程可以窃取（帮助）其他线程来完成工作，最终达到总的任务快速完成的目的，就像老板布置一样任务，项目经理将这个任务分给甲乙丙三个程序员来完成这样事情，甲比较厉害，或者分配的事情比较少，他完成以后他主动帮助乙来完成工作。

如果这样子来完成任务，那么怎么分配任务就是一个问题了：

首先将任务分为互不依赖的子任务，将这些子任务放到不同的队列里，并安排一个线程来处理这些任务，线程和队列（一般使用双端队列）一一对应，当有线程完成时，就会去其他队列里窃取任务，但是不同的是，窃取任务是从队列的尾端窃取，防止窃取过程中发生线程竞争。

优点：充分利用并行计算，提高运算效率。

缺点：在某些情况下还是会发生竞争，例如当队列中只剩下一个任务，两个线程进行竞争。

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三丶Fork/Join框架的设计思想

理解了Fork/Join框架的设计思想后，我们理解这个框架就会变的非常容易，我们用几行伪代码来直观的告诉你什么是Fork/Join思想：

if(任务足够小){
	进行计算；
}else{
	将任务分为两个部分；
	结合两个子任务；
}

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四丶JDK实现Fork/Join框架

（1）JDk为Fork/Join框架提供了很好的支持，我们想要用这个算法首先得创建一个Fork/Join任务，在JDK中这个任务就叫做：ForJoinTask，只要继承这个类就可以创建一个任务类，但是实际使用中并不是直接继承ForkJoinTask类，而是继承它的子类，它有两个子类，分别是RecursiveAction和RecursiveTask，它们之间的区别是是否返回任务结果，前者用于没有返回结果的任务，后者用于有返回结果的任务。

（2）有了Fork/Join任务后还需要执行任务，JDK提供了ForkJoinPool来执行。

（3）下面我们来看一个用ForkJoin框架来进行累加计算例子：

//继承RecursiveTask，用于与结果返回的任务
public class CountTask  extends RecursiveTask<Integer>{
	//阈值为2，当小于等于这个值的时候进行计算
	private static final int THRESHOLD = 2;

	//累加的起始值
	private int start;
	private int end;

	public CountTask(int start,int end){
		this.start = start;
		this.end = end;
	}

	protected Integer compute() {
		int sum = 0;
		boolean canCompute = (end-start) <= THRESHOLD;
		//如果false，表示end-start大于2，还要进行分割
		if(canCompute) {
			for(int i = start;i<=end; i++ ) {
				sum += i;
			}
		}
		else {
			int mid = (end + start) / 2;
			//分为两个任务
			CountTask leftTask = new CountTask(start,mid);
			CountTask rightTask = new CountTask(mid + 1,end);
			//执行子任务
			leftTask.fork();
			rightTask.fork();
			//等待子任务完成
			int leftResult = leftTask.join();
			int rightResult = rightTask.join();
			//合并子任务
			sum = leftResult+rightResult;

		}
		return sum;
	}

	public static void main(String[] args) {
		//创建ForkJoinPool 对象执行任务
		ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
		//计算1-5累加
		CountTask task = new CountTask(1,5);
		//执行
		Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
		try {
			System.out.println(result.get());
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (ExecutionException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

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五丶ForkJoin框架的实现原理

在看到例子后我的第一个想法是，这个框架用到了递归，这和我之前看到的归并排序有点类似，那我们来看看框架到底是怎么实现的：

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkThread数组组成。ForkJoinTask负责将存储的任务提交给ForkJoinPool，ForkJoinWorkThread负责处理这些任务。

但是我简单的翻了下源码，发现ForkJoinPool里面已经没有ForkJoinWorkThread数组了，取而代之的是ForkJoinWorkThread工厂（博主Java8）。

既然是实现原理，就从它的核心方法开始看起：

5.1submit方法：

一个任务执行的开端是submit方法，即将任务提交给ForkJoinPool，让它唤醒一个ForkJoinWorkThread线程来执行这个任务：

public <T> ForkJoinTask<T> submit(ForkJoinTask<T> task) {
        //任务为空抛异常
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        //调用externalPush方法，这个我们往下看，看看它玩啥花样
        externalPush(task);
        return task;
    }

  final void externalPush(ForkJoinTask<?> task) {
		//工作队列，也就是之前介绍框架时所提到的偷窃队列
		//创建队列数组的个数和线程数一致
        WorkQueue[] ws; WorkQueue q; int m;
        //getProbe用来为当前线程生成一个不强制初始化的取样值
        int r = ThreadLocalRandom.getProbe();
        //runState为ForkJoinPool 的volatile字段，表示锁的状态
        int rs = runState;
        //workQueues为ForkJoinPool 的数组volatile类型字段
        //当这个队列不为空（如果为空肯定是要初始化一个队列的）
        //并且队列长度大于等于0
        //额...后面原谅我看不懂了
        //但是大概的意思应该是要调用我们自定义的task对象的方法，对这个任务进行分割
        if ((ws = workQueues) != null && (m = (ws.length - 1)) >= 0 &&
            (q = ws[m & r & SQMASK]) != null && r != 0 && rs > 0 &&
            U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 0, 1)) {
            ForkJoinTask<?>[] a; int am, n, s;
            if ((a = q.array) != null &&
                (am = a.length - 1) > (n = (s = q.top) - q.base)) {
                int j = ((am & s) << ASHIFT) + ABASE;
                //将task放入ForkJoinTask数组中
                U.putOrderedObject(a, j, task);
                U.putOrderedInt(q, QTOP, s + 1);
                U.putIntVolatile(q, QLOCK, 0);
                //signalWork是用来创建线程来执行任务
                if (n <= 1)
                    signalWork(ws, q);
                return;
            }
            U.compareAndSwapInt(q, QLOCK, 1, 0);
        }
        externalSubmit(task);
    }

5.2fork方法：

我参考过并发编程的艺术，Java7中的fork方法和Java8的fork方法有点小不同！

以下代码是Java8的：

 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;
    }

我们也说了这个fork方法是由submit方法触发的，且submit方法里面唤醒过ForkJoinWorkerThread来处理队列中的任务，所以通过push方法将当前分割后任务放到队列中，同时调用signalWork唤醒线程对分割后的线程进行处理。

  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();
            }
        }

我对这个框架的理解是这样的（因为网上关于1.8的fork/join框架介绍比较少所以博主水平有限，理解可能有偏差）：

1）submit提交task

2）将task暂存到ForkJoinTask数组中

3）调用signalWork方法创建或唤醒线程来执行ForkJoinTask数组中的任务

4）线程拿到任务后调用fork方法

5）fork方法将任务再分割，放到ForkJoinTask数组中（分割前的总任务清 除），然后再唤醒线程来处理ForkJoinTask数组中的任务（唤醒线程的个数取决任务个数）。

6）fork后通过调用join方法将结果合并。

7）任务继续分割，直到不能再分割，然后各个线程进行计算。

8）像递归一样，将数据合并并返回，最终返回到submit方法中。

以上就是博主读fork/join框架的理解，可能偏差很大，大的离谱，如果有大神看见还请赐教！

分析完上面的，博主还是不放心，那就断点走起吧：



上图是我们要执行的主程序（完整程序上面有），第一行和第二行没什么新建一些对象，当执行到Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);时我们看看都有哪些变量：

这个时候还没啥迹象，且result都没有值，只有这段代码执行结束才能看出点啥Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);：

看看最终形态：

额，告诉大家一个不幸的消息，我没看出啥~（滑稽脸.jpg）

此次分析到此结束，有空再来拜读源码！

恳请有大牛看见了此篇文章指点一下，万谢！！！

2018.4.13 17:19