Fork/Join框架

神圣兽国窝窝乡独行侠發表於2024-10-17
框架

  1. 什麼是Fork/Join框架
    Fork/Join框架是Java7提供了的一個用於並行執行任務的框架， 是一個把大任務分割成若干個小任務，最終彙總每個小任務結果後得到大任務結果的框架。
    我們再通過Fork和Join這兩個單詞來理解下Fork/Join框架，Fork就是把一個大任務切分為若干子任務並行的執行，Join就是合併這些子任務的執行結果，最後得到這個大任務的結果。比如計算1+2+。。＋10000，可以分割成10個子任務，每個子任務分別對1000個數進行求和，最終彙總這10個子任務的結果。Fork/Join的執行流程圖如下：
    這裡寫圖片描述

  2. 工作竊取演算法
    工作竊取（work-stealing）演算法是指某個執行緒從其他佇列裡竊取任務來執行。工作竊取的執行流程圖如下：
    這裡寫圖片描述
    那麼為什麼需要使用工作竊取演算法呢？假如我們需要做一個比較大的任務，我們可以把這個任務分割為若干互不依賴的子任務，為了減少執行緒間的競爭，於是把這些子任務分別放到不同的佇列裡，併為每個佇列建立一個單獨的執行緒來執行佇列裡的任務，執行緒和佇列一一對應，比如A執行緒負責處理A佇列裡的任務。但是有的執行緒會先把自己佇列裡的任務幹完，而其他執行緒對應的佇列裡還有任務等待處理。幹完活的執行緒與其等著，不如去幫其他執行緒幹活，於是它就去其他執行緒的佇列裡竊取一個任務來執行。而在這時它們會訪問同一個佇列，所以為了減少竊取任務執行緒和被竊取任務執行緒之間的競爭，通常會使用雙端佇列，被竊取任務執行緒永遠從雙端佇列的頭部拿任務執行，而竊取任務的執行緒永遠從雙端佇列的尾部拿任務執行。

工作竊取演算法的優點是充分利用執行緒進行平行計算，並減少了執行緒間的競爭，其缺點是在某些情況下還是存在競爭，比如雙端佇列裡只有一個任務時。並且消耗了更多的系統資源，比如建立多個執行緒和多個雙端佇列。
3. Fork/Join框架的介紹
我們已經很清楚Fork/Join框架的需求了，那麼我們可以思考一下，如果讓我們來設計一個Fork/Join框架，該如何設計？這個思考有助於你理解Fork/Join框架的設計。
第一步分割任務。首先我們需要有一個fork類來把大任務分割成子任務，有可能子任務還是很大，所以還需要不停的分割，直到分割出的子任務足夠小。
第二步執行任務併合並結果。分割的子任務分別放在雙端佇列裡，然後幾個啟動執行緒分別從雙端佇列裡獲取任務執行。子任務執行完的結果都統一放在一個佇列裡，啟動一個執行緒從佇列裡拿資料，然後合併這些資料。
Fork/Join使用兩個類來完成以上兩件事情：
ForkJoinTask：我們要使用ForkJoin框架，必須首先建立一個ForkJoin任務。它提供在任務中執行fork()和join()操作的機制，通常情況下我們不需要直接繼承ForkJoinTask類，而只需要繼承它的子類，Fork/Join框架提供了以下兩個子類：
RecursiveAction：用於沒有返回結果的任務。
RecursiveTask ：用於有返回結果的任務。
ForkJoinPool ：ForkJoinTask需要通過ForkJoinPool來執行，任務分割出的子任務會新增到當前工作執行緒所維護的雙端佇列中，進入佇列的頭部。當一個工作執行緒的佇列裡暫時沒有任務時，它會隨機從其他工作執行緒的佇列的尾部獲取一個任務。
4. 使用Fork/Join框架
讓我們通過一個簡單的需求來使用下Fork／Join框架，需求是：計算1+2+3+4的結果。
使用Fork／Join框架首先要考慮到的是如何分割任務，如果我們希望每個子任務最多執行兩個數的相加，那麼我們設定分割的閾值是2，由於是4個數字相加，所以Fork／Join框架會把這個任務fork成兩個子任務，子任務一負責計算1+2，子任務二負責計算3+4，然後再join兩個子任務的結果。
因為是有結果的任務，所以必須繼承RecursiveTask，實現程式碼如下：

 {
    //RecursiveAction：用於沒有返回結果的任務。
    //RecursiveTask ：用於有返回結果的任務。

    //閾值
    private static final int THRESHOLD = 2;
    private int start;
    private int end;

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

    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
        boolean canCompute = (end-start)<=THRESHOLD;
        if(canCompute){
            System.out.println("start:"+start+" end:"+end);
            for (int i=start;i<=end;i++){
                sum+=i;
            }
        }else{
            //如果任務多 就分裂多個子任務
            int middle = (end+start)/2;
            ForkAndJoindemo fork1 = new ForkAndJoindemo(start,middle);
            ForkAndJoindemo fork2 = new ForkAndJoindemo(middle+1,end);
            //執行子任務
            fork1.fork();
            fork2.fork();
            //等待子任務完成彙總
            int result1 = fork1.join();
            int result2 = fork2.join();
            sum = result1+result2;
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        ForkAndJoindemo task = new ForkAndJoindemo(1,100);
        Future result =  forkJoinPool.submit(task);
        if(task.isCompletedAbnormally())
        {
            System.out.println(task.getException());
        }
        try {
            System.out.println("結果："+result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
" data-snippet-id="ext.298e38f9ae3d32493229c2ff1e2de5e7" data-snippet-saved="false" data-codota-status="done">package com.sun.jojo.forkandjoin;


import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;

/**
 * Author sunjiamin
 * Date 2017/8/1 16:18
 * Describe :
 */
public class ForkAndJoindemo extends RecursiveTask<Integer> {
    //RecursiveAction：用於沒有返回結果的任務。
    //RecursiveTask ：用於有返回結果的任務。

    //閾值
    private static final int THRESHOLD = 2;
    private int start;
    private int end;

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

    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
        boolean canCompute = (end-start)<=THRESHOLD;
        if(canCompute){
            System.out.println("start:"+start+" end:"+end);
            for (int i=start;i<=end;i++){
                sum+=i;
            }
        }else{
            //如果任務多 就分裂多個子任務
            int middle = (end+start)/2;
            ForkAndJoindemo fork1 = new ForkAndJoindemo(start,middle);
            ForkAndJoindemo fork2 = new ForkAndJoindemo(middle+1,end);
            //執行子任務
            fork1.fork();
            fork2.fork();
            //等待子任務完成彙總
            int result1 = fork1.join();
            int result2 = fork2.join();
            sum = result1+result2;
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        ForkAndJoindemo task = new ForkAndJoindemo(1,100);
        Future<Integer> result =  forkJoinPool.submit(task);
        if(task.isCompletedAbnormally())
        {
            System.out.println(task.getException());
        }
        try {
            System.out.println("結果："+result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

通過這個例子讓我們再來進一步瞭解ForkJoinTask，ForkJoinTask與一般的任務的主要區別在於它需要實現compute方法，在這個方法裡，首先需要判斷任務是否足夠小，如果足夠小就直接執行任務。如果不足夠小，就必須分割成兩個子任務，每個子任務在呼叫fork方法時，又會進入compute方法，看看當前子任務是否需要繼續分割成孫任務，如果不需要繼續分割，則執行當前子任務並返回結果。使用join方法會等待子任務執行完並得到其結果。
5. Fork/Join框架的異常處理
ForkJoinTask在執行的時候可能會丟擲異常，但是我們沒辦法在主執行緒裡直接捕獲異常，所以ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法來檢查任務是否已經丟擲異常或已經被取消了，並且可以通過ForkJoinTask的getException方法獲取異常。使用如下程式碼：

if ( task.isCompletedAbnormally() )
{
    System.out.println( task.getException() );
}

getException方法返回Throwable物件，如果任務被取消了則返回CancellationException。如果任務沒有完成或者沒有丟擲異常則返回null。
6. Fork/Join框架的實現原理
ForkJoinPool由ForkJoinTask陣列和ForkJoinWorkerThread陣列組成，ForkJoinTask陣列負責存放程式提交給ForkJoinPool的任務，而ForkJoinWorkerThread陣列負責執行這些任務。
ForkJoinTask的fork方法實現原理。當我們呼叫ForkJoinTask的fork方法時，程式會呼叫ForkJoinWorkerThread的pushTask方法非同步的執行這個任務，然後立即返回結果。程式碼如下：

public final ForkJoinTask fork()
{
    ( (ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread() ).pushTask( this ); return(this);
}

pushTask方法把當前任務存放在ForkJoinTask 陣列queue裡。然後再呼叫ForkJoinPool的signalWork()方法喚醒或建立一個工作執行緒來執行任務。程式碼如下：

 final void pushTask(ForkJoinTask t) {
        ForkJoinTask[] q; int s, m;
        if ((q = queue) != null) {    // ignore if queue removed
            long u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1)) << ASHIFT) + ABASE;
            UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t);
            queueTop = s + 1;         // or use putOrderedInt
            if ((s -= queueBase) <= 2)
                pool.signalWork();
    else if (s == m)
                growQueue();
        }
    }

ForkJoinTask的join方法實現原理。Join方法的主要作用是阻塞當前執行緒並等待獲取結果。讓我們一起看看ForkJoinTask的join方法的實現，程式碼如下：

public final V join()
{
    if ( doJoin() != NORMAL )
        return(reportResult() );
    else return(getRawResult() );
}


private V reportResult()
{
    int s; Throwable ex; if ( (s = status) == CANCELLED )
        throw new CancellationException();
    if ( s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException() ) != null )
        UNSAFE.throwException( ex );
    return(getRawResult() );
}

首先，它呼叫了doJoin()方法，通過doJoin()方法得到當前任務的狀態來判斷返回什麼結果，任務狀態有四種：已完成（NORMAL），被取消（CANCELLED），訊號（SIGNAL）和出現異常（EXCEPTIONAL）。
如果任務狀態是已完成，則直接返回任務結果。
如果任務狀態是被取消，則直接丟擲CancellationException。
如果任務狀態是丟擲異常，則直接丟擲對應的異常。
讓我們再來分析下doJoin()方法的實現程式碼：

 private int doJoin() {
        Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed;
        if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) {
            if ((s = status) < 0)
 return s;
            if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) {
                try {
                    completed = exec();
                } catch (Throwable rex) {
                    return setExceptionalCompletion(rex);
                }
                if (completed)
                    return setCompletion(NORMAL);
            }
            return w.joinTask(this);
        }
        else
            return externalAwaitDone();
    }

在doJoin()方法裡，首先通過檢視任務的狀態，看任務是否已經執行完了，如果執行完了，則直接返回任務狀態，如果沒有執行完，則從任務陣列裡取出任務並執行。如果任務順利執行完成了，則設定任務狀態為NORMAL，如果出現異常，則紀錄異常，並將任務狀態設定為EXCEPTIONAL。

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