【Java多线程】Fork/Join 框架（三十）

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

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

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