JUC(7) Fork/Join

1. 概述

Fork/Join 它可以将一个大的任务拆分成多个子任务进行并行处理，最后将子任务结果合并成最后的计算结果，并进行输出。Fork/Join 框架要完成两件事情：

• 任务分割：首先 Fork/Join 框架需要把大的任务分割成足够小的子任务，如果子任务比较大的话还要对子任务进行继续分割
  • Fork：把一个复杂任务进行分拆，大事化小
• 执行任务并合并结果：分割的子任务分别放到双端队列里，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放在另外一个队列里，启动一个线程从队列里取数据，然后合并这些数据。
  • Join：把分拆任务的结果进行合并

Java Fork/Join 框架实现方式

• ForkJoinTask: 我们要使用 Fork/Join 框架，首先需要创建一个 ForkJoin 任务。该类提供了在任务中执行 fork 和 join 的机制。通常情况下我们不需要直接集成 ForkJoinTask 类，只需要继承它的子类，Fork/Join 框架提供了两个子类

  • RecursiveAction: 用于没有返回结果的任务
  • RecursiveTask: 用于有返回结果的任务
    • 继承后可以实现递归(自己调自己)调用的任务

• ForkJoinPool: ForkJoinTask 需要通过 ForkJoinPool 来执行

  • ForkJoinPool 由 ForkJoinTask 数组和 ForkJoinWorkerThread 数组组成
  • ForkJoinTask 数组负责存放以及将程序提交给 ForkJoinPool
  • ForkJoinWorkerThread 负责执行这些任务

2. 核心方法

2.1 fork

当我们调用 ForkJoinTask 的 fork 方法时，程序会把任务放在 ForkJoinWorkerThread 的 workQueue 中，异步地执行这个任务，然后立即返回结果

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;
}

push 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：

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();
    }
}

2.2 join

Join 方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果

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

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();
}

final int doExec() {
    int s; boolean completed;
    if ((s = status) >= 0) {
        try {
            completed = exec();
        } catch (Throwable rex) {
            return setExceptionalCompletion(rex);
        }
        if (completed)
            s = setCompletion(NORMAL);
    }
    return s;
}

它首先调用 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）直接返回任务结果
• 被取消（CANCELLED）直接抛出 CancellationException
• 信号（SIGNAL）
• 出现异常（EXCEPTIONAL）直接抛出对应的异常

doJoin() 方法流程如下

1. 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
2. 如果没有执行完，则从任务数组里取出任务并执行。
3. 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。

3. 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。

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

4. 案例

1加到100，要求相加的一列数的首尾两个数差值不能大于10

class MyTask extends RecursiveTask<Integer> {

    // 拆分差值不能超过10
    private static final Integer VALUE = 10;
    private int begin;
    private int end;
    private int result;

    public MyTask(int begin, int end){
        this.begin = begin;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        // 判断两个值的差值是否大于10
        if((end-begin)<=10) {
            // 相加操作
            for (int i = begin; i <= end ; i++) {
                result = result + i;
            }
        } else {
            // 大于10 继续拆分
            int middle = (begin + end) / 2;
            // 拆分左边
            MyTask task01 = new MyTask(begin, middle);
            // 拆分右边
            MyTask task02 = new MyTask(middle + 1, end);
            // 调用方法拆分
            task01.fork();
            task02.fork();
            // 合并结果
            result = task01.join() + task02.join();
        }
        return result;
    }
}

public class ForkJoinTest {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 创建MyTask对象
        MyTask task = new MyTask(0, 100);
        // 创建分支合并池对象
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        ForkJoinTask<Integer> forkJoinTask = forkJoinPool.submit(task);

        // 获取最终合并之后结果
        Integer reslut = forkJoinTask.get();
        System.out.println(reslut);
        // 关闭池对象
        forkJoinPool.shutdown();
    }
}