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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的运行流程如图6-6所示。

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。 工作窃取的运行流程如图6-7所示。

图6-7 工作窃取运行流程图 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。
6.4.3 Fork/Join框架的设计 我们已经很清楚Fork/Join框架的需求了，那么可以思考一下，如果让我们来设计一个 Fork/Join框架，该如何设计？这个思考有助于你理解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。
①ForkJoinTask：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。
②ForkJoinPool：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。

6.4.4
使用Fork/Join框架 让我们通过一个简单的需求来使用Fork/Join框架，需求是：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。

package fj; 
import java.util.concurrent.ExecutionException; 
import java.util.concurrent.ForkJoinPool; 
import java.util.concurrent.Future; 
import java.util.concurrent.RecursiveTask; 
public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> { 
    
private static final int THRESHOLD = 2; // 阈值 
private int start; 
private int end; public CountTask(int start, int end) { 
    
this.start = start; 
this.end = end; }
@Override 
protected Integer compute() 
{ 
    int sum = 0; // 如果任务足够小就计算任务 boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
if (canCompute) 
{ 
    
for (int i = start; i <= end; i++) { 
    sum += i; } 
} 
else { 
   // 如果任务大于阈值，就分裂成两个子任务计算 
int middle = (start + end) / 2; 
CountTask leftTask = new CountTask(start, middle); 
CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, end); // 执行子任务 
leftTask.fork(); 
rightTask.fork(); // 等待子任务执行完，并得到其结果 int leftResult=leftTask.join(); 
int rightResult=rightTask.join(); // 合并子任务 sum = leftResult + rightResult; }
return sum; }
public static void main(String[] args) 
{ 
    ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool(); // 生成一个计算任务，负责计算1+2+3+4
 CountTask task = new CountTask(1, 4); // 执行一个任务 
 Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task); try 
 { 
    System.out.println(result.get()); } 
 catch (InterruptedException e) { 
    } 
 catch (ExecutionException e) { 
    } } 
 }

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。

6.4.6 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。 public final ForkJoinTask fork() { ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()) .pushTask(this); return this; }pushTask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 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(); } } 
 （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。
public final V join() { 
    
if (doJoin() != NORMAL) 
return reportResult(); 
elsereturn 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。 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); }elsereturn externalAwaitDone(); }
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。