【Java多线程】Fork/Join 框架(三十)

java

一、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。

  

二、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

三、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。

四、使用Fork/Join框架

  示例: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。

 1 public class DemoTask extends RecursiveTask<Integer> {

2 // 阀值

3 private static final int THRESHOLD = 2;

4 private int start;

5 private int end;

6

7 public DemoTask(int start, int end) {

8 this.start = start;

9 this.end = end;

10 }

11

12 @Override

13 protected Integer compute() {

14 int sum = 0;

15

16 // 如果任务足够小就计算任务

17 boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;

18 if(canCompute) {

19 for (int i = start; i <= end; i++) {

20 sum += i;

21 }

22 }else {

23 // 如果任务大于阀值,就分裂成两个子任务计算

24 int middle = (start + end) / 2;

25

26 DemoTask leftTask = new DemoTask(start, middle);

27 DemoTask rightTask = new DemoTask(middle + 1, end);

28 // 执行子任务

29 leftTask.fork();

30 rightTask.fork();

31

32 // 等待子任务执行完,并得到器结果

33 int leftResult = leftTask.join();

34 int rightResult = rightTask.join();

35 // 合并子任务

36 sum = leftResult + rightResult;

37 }

38 return sum;

39 }

40

41 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

42 ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();

43 // 生产一个计算任务,负责计算 1+2+3+4

44 DemoTask task = new DemoTask(1, 4);

45 // 执行一个任务

46 Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);

47

48 try {

49 System.out.println(result.get());

50 } catch (ExecutionException e) {

51 e.printStackTrace();

52 }

53 }

54 }

  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。

五、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。

1 // ForkJoinTask 类中的 方法 判断是否正常结束

2 public final boolean isCompletedAbnormally() {

3 return status < NORMAL;

4 }  

1 public final Throwable getException() {

2 int s = status & DONE_MASK;

3 return ((s >= NORMAL) ? null :

4 (s == CANCELLED) ? new CancellationException() :

5 getThrowableException());

6 }

  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。

六、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。

1 public final ForkJoinTask<V> fork() {

2 Thread t;

3 if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)

4 ((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);

5 else

6 ForkJoinPool.common.externalPush(this);

7 return this;

8 }

  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。

 1 final void push(ForkJoinTask<?> task) {

2 ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;

3 int b = base, s = top, n;

4 if ((a = array) != null) { // ignore if queue removed

5 int m = a.length - 1; // fenced write for task visibility

6 U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);

7 U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);

8 if ((n = s - b) <= 1) {

9 if ((p = pool) != null)

10 p.signalWork(p.workQueues, this);

11 }

12 else if (n >= m)

13 growArray();

14 }

15 }

(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。

1 public final V join() {

2 int s;

3 // 执行doJoin()方法,如果doJoin返回的是非NORMAL,报告异常

4 if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)

5 reportException(s);

6 // 获取结果获取结果

7 return getRawResult();

8 }

  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。

 1 // 执行join

2 // status表示任务执行状态,有如下值:

3 // static final int NORMAL = 0xf0000000; // 已完成 < 0

4 // static final int CANCELLED = 0xc0000000; // 被取消 < NORMAL

5 // static final int EXCEPTIONAL = 0x80000000; // 必须 < CANCELLED

6 // static final int SIGNAL = 0x00010000; // 信号 >= 1 << 16

7 //所以status<0表示任务已经完成,或取消,或抛异常,无论怎样,就是任务结束了

8 //下面这段代码的意思是,任务是否结束,是则返回,否则看任务执行线程是否是ForkJoinWorkerThread实例

9 //否则externalAwaitDone()等待,是则尝试让任务出队并执行,如果不能出队或者执行无法完成,则使用

10 // wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L)等待。externalAwaitDone()基本就是wait和notify,而awaitJoin

11 //就复杂点,需要帮助窃取当前任务的worker(称为stealer)尽快执行任务,即会窃取stealer的任务来执行

12 private int doJoin() {

13 int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;

14 // 判断任务状态,是否未结束

15 return (s = status) < 0 ? s :

16

17 ((t = ForkJoinWorkerThreadad.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?

18

19 (w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).

20 // 尝试将this任务移出工作队列,并且 使用当前线程执行

21 tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s :

22 // 等待join任务完成

23 wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L)

24

25 // 外部等待完成任务

26 : externalAwaitDone();

27 }

  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。

源码分析见下一篇:【Java多线程】 Fork/Join 源码分析(三十一)

参考:

  1、《Java并发编程的艺术》

  2、https://blog.csdn.net/cold___play/article/details/104063213

以上是 【Java多线程】Fork/Join 框架(三十) 的全部内容, 来源链接: utcz.com/z/391304.html

回到顶部