文章基於jdk1.7，通過學習《Java併發程式設計的藝術》，對Fork/Join框架的理解。
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。
它的主要思想是：分而治之。
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。
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。
介紹
Fork/Join框架的設計分為兩步：
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。
使用
使用Fork/Join框架計算：1+2+3+……+100000000.
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10000個數的相加，那麼我們設定分割的閾值是10000，由於是100000000個數字相加，所以會不停的分割，第一次先分割成兩部分，即1~50000000 和 50000001~100000000，第二次繼續將 1~50000000 分割成 1~25000000 和 25000001~50000000 ，將50000001~100000000 分割成 50000001~75000000 和 75000001~100000000 ……，一直分割，直到 開始和 結束的的差小於等於10000。
import java.util.concurrent.*;
public class CountTask extends RecursiveTask<Long> {
/**
* 閥值
*/
private static final long THRESHOLD = 10000;
// 開始數
private long start;
// 結束數
private long end;
public CountTask(long start, long end) {
this.start = start;
this.end = end;
}
@Override
protected Long compute() {
long sum = 0;
// 如果足夠小就計算
boolean canComplute = (end - start) <= THRESHOLD;
if(canComplute) {
for(long i = start; i <= end; i++) {
sum += i;
}
} else { // 否則，對大任務進行拆分
// 對半分
long middle = (start + end) /2;
// 進行遞迴
CountTask left = new CountTask(start, middle);
CountTask right = new CountTask(middle + 1, end);
// 執行子任務
invokeAll(left, right);
// 獲取結果
long lResult = left.join();
long rRight = right.join();
sum = lResult + rRight;
}
return sum;
}
public static void main(String[] args) {
long s = System.currentTimeMillis();
ForkJoinPool pool = ForkJoinPool.commonPool();
CountTask countTask = new CountTask(1,100000000); // 引數為起始值與結束值
Future<Long> result = pool.submit(countTask);
// 如果任務完成
if(!((ForkJoinTask<Long>) result).isCompletedAbnormally()) {
try {
// 獲取任務結果
System.out.println("fork/join計算為：" + result.get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("fork/join計算花費時間：" + (System.currentTimeMillis() - s) + "ms");
s = System.currentTimeMillis();
long sum = 0;
for(int i = 1; i <= 100000000 ; i++) {
sum += i;
}
System.out.println("計算結果：" + sum);
System.out.println("普通計算花費時間：" + (System.currentTimeMillis() - s) + "ms");
}
}
複製程式碼fork/join計算為：5000000050000000 fork/join計算花費時間：53ms 計算結果：5000000050000000 普通計算花費時間：55ms
三種提交任務到ForkJoinPool的方法：
- execute():非同步執行，沒有任何返回 。
- invoke():同步執行，呼叫之後需要等待任務完成，才能執行後面的程式碼 。
- submit():非同步執行，當呼叫get方法的時候會阻塞，完成時返回一個future物件用於檢查狀態以及執行結果。
ForkJoinPool commonPool = ForkJoinPool.commonPool();
複製程式碼為公共池提供一個引用，使用預定義的公共池減少了資源消耗，因為這阻礙了每個任務建立一個單獨的執行緒池。
檢查任務執行的狀態
- 無論以什麼方式結束任務，isDone() 方法返回true；
- 如果完成任務過程中沒有被取消或者發生異常，isCompletedNormally() 方法返回true；
- 如果任務被取消， isCancelled() 方法返回true；
- 如果任務被取消或者遇到異常，isCompletedAbnormally() 方法返回true
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());
}
複製程式碼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。
與ExecutorService 的區別
Fork/Join採用“工作竊取模式”，當執行新的任務時他可以將其拆分成更小的任務執行，並將小任務加到執行緒佇列中，然後再從一個隨即執行緒中偷一個並把它加入自己的佇列中。
就比如兩個CPU上有不同的任務，這時候A已經執行完，B還有任務等待執行，這時候A就會將B隊尾的任務偷過來，加入自己的佇列中，對於傳統的執行緒，ForkJoin更有效的利用的CPU資源！
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;
}
複製程式碼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();
}
}
複製程式碼首先，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();
}
複製程式碼在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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