Fork/Join框架
2019-06-26 本文已影响13人
xiaolyuh
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(Fork)，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果(Join)的框架。
分而治之
一个规模为N的问题，当N小于阀值时直接执行，当N大于阀值时将N分解成K个小规模子问题，子问题之间相互独立，并与原问题形式相同，最后将所有子问题的解合并得到原问题的解，叫做分而治之。
Fork Join的运行流程图.jpg
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。一般任务被拆分后会分配到不同的队列，并为每个队列建立单独的线程来处理任务，线程和队列一一对应。但是有的线程会将自己的任务先处理完，这个时候先处理完的线程就可以去帮助其他线程干活，以此来提升整个任务的工作效率。为了减少窃取任务时候的冲突，通常会使用双端队列，窃取任务的线程永远从队列尾部拿任务，正常线程从队列头部拿任务。
工作窃取流程图.jpg
- 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。
Fork/Join框架使用
使用的标准范式
图片2.png
- invokeAll()方法里面最终调用的还是 fork()方法。
- ForkJoinPool新建的线程数默认等于CPU核数
Fork/Join使用两个类来完成任务分割和执行任务合并结果两件事情。
- 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。
- 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。
示例
计算1+2+3+4+...+n的值
package com.xiaolyuh;
import java.util.Objects;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
/**
* 计算1+2+3+...+n的值
* 使用同步执行的方式
*
* @author yuhao.wang3
* @since 2019/6/25 17:07
*/
public class ForkJoinCountTask extends RecursiveTask<Long> {
/**
* 阀值
*/
private int threshold = 10;
/**
* 任务的开始值
*/
private long start;
/**
* 任务的结束值
*/
private long end;
public ForkJoinCountTask(long start, long end) {
this.start = start;
this.end = end;
}
@Override
protected Long compute() {
if (end - start <= threshold) {
long count = 0;
for (int i = 0; i <= end - start; i++) {
count = count + start + i;
}
return count;
} else {
// 如果任务大于阈值，就分裂成三个子任务计算
long slip = (end - start) / 3;
ForkJoinCountTask oneTask = new ForkJoinCountTask(start, start + slip);
ForkJoinCountTask twoTask = new ForkJoinCountTask(start + slip + 1, start + slip * 2);
ForkJoinCountTask threeTask = new ForkJoinCountTask(start + slip * 2 + 1, end);
// 提交子任务到框架去执行
invokeAll(oneTask, twoTask, threeTask);
// 等待子任务执行完，得到其结果，并合并子任务
return oneTask.join() + twoTask.join() + threeTask.join();
}
}
public static void main(String[] args) {
long start = System.currentTimeMillis();
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
// 生成一个计算任务，负责计算1+2+3+n
ForkJoinCountTask countTask = new ForkJoinCountTask(1, 1000000);
// 执行一个任务（同步执行，任务会阻塞在这里直到任务执行完成）
pool.invoke(countTask);
// 异常检查
if (countTask.isCompletedAbnormally()) {
Throwable throwable = countTask.getException();
if (Objects.nonNull(throwable)) {
System.out.println(throwable.getMessage());
}
}
// join方法是一个阻塞方法，会等待任务执行完成
System.out.println("计算为：" + countTask.join() + ", 耗时：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "毫秒");
}
}
搜索指定目录下的指定文件
package com.xiaolyuh;
import java.io.File;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Objects;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.RecursiveAction;
/**
* 搜索指定目录下的指定文件
* 使用异步执行的方式
*
* @author yuhao.wang3
* @since 2019/6/25 17:07
*/
public class ForkJoinSearchFileTask extends RecursiveAction {
/**
* 指定目录
*/
private File file;
/**
* 文件后缀
*/
private String suffix;
public ForkJoinSearchFileTask(File file, String suffix) {
this.file = file;
this.suffix = suffix;
}
@Override
protected void compute() {
if (Objects.isNull(file)) {
return;
}
File[] files = file.listFiles();
List<ForkJoinSearchFileTask> fileTasks = new ArrayList<>();
if (Objects.nonNull(files)) {
for (File f : files) {
// 拆分任务
if (f.isDirectory()) {
fileTasks.add(new ForkJoinSearchFileTask(f, suffix));
} else {
if (f.getAbsolutePath().endsWith(suffix)) {
System.out.println("文件： " + f.getAbsolutePath());
}
}
}
// 提交并执行任务
invokeAll(fileTasks);
for (ForkJoinSearchFileTask fileTask : fileTasks) {
// 等待任务执行完成
fileTask.join();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
File file = new File("d:/");
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
// 生成一个计算任务，负责查找指定木目录
ForkJoinSearchFileTask searchFileTask = new ForkJoinSearchFileTask(file, ".txt");
// 异步执行一个任务
pool.execute(searchFileTask);
Thread.sleep(10);
// 做另外的事情
int count = 0;
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
count += i;
}
System.out.println("计算任务：" + count);
// join方法是一个阻塞方法，会等待任务执行完成
searchFileTask.join();
}
}
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。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。
// 异常检查
if(countTask.isCompletedAbnormally()) {
Throwable throwable = countTask.getException();
if (Objects.nonNull(throwable)) {
System.out.println(throwable.getMessage());
}
}
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。
ForkJoinTask的fork方法实现原理
当我们调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会将任务放到队列里面取，然后异步地执行这个任务。代码如下：
public final ForkJoinTask<V> fork() {
Thread t;
if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
else
ForkJoinPool.common.externalPush(this);
return this;
}
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：
final void push(ForkJoinTask<?> task) {
ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;
int b = base, s = top, n;
if ((a = array) != null) { // ignore if queue removed
int m = a.length - 1; // fenced write for task visibility
U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);
U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);
if ((n = s - b) <= 1) {
if ((p = pool) != null)
p.signalWork(p.workQueues, this);
}
else if (n >= m)
growArray();
}
}
final void signalWork(WorkQueue[] ws, WorkQueue q) {
long c; int sp, i; WorkQueue v; Thread p;
while ((c = ctl) < 0L) { // too few active
if ((sp = (int)c) == 0) { // no idle workers
if ((c & ADD_WORKER) != 0L) // too few workers
tryAddWorker(c);
break;
}
if (ws == null) // unstarted/terminated
break;
if (ws.length <= (i = sp & SMASK)) // terminated
break;
if ((v = ws[i]) == null) // terminating
break;
int vs = (sp + SS_SEQ) & ~INACTIVE; // next scanState
int d = sp - v.scanState; // screen CAS
long nc = (UC_MASK & (c + AC_UNIT)) | (SP_MASK & v.stackPred);
if (d == 0 && U.compareAndSwapLong(this, CTL, c, nc)) {
v.scanState = vs; // activate v
if ((p = v.parker) != null)
U.unpark(p);
break;
}
if (q != null && q.base == q.top) // no more work
break;
}
}
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() {
int s;
if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
reportException(s);
return getRawResult();
}
private void reportException(int s) {
if (s == CANCELLED)
throw new CancellationException();
if (s == EXCEPTIONAL)
rethrow(getThrowableException());
}
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() {
int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;
return (s = status) < 0 ? s :
((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?
(w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).
tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s :
wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :
// 阻塞非工作线程，直到工作线程执行完毕
externalAwaitDone();
}
final int doExec() {
int s; boolean completed;
if ((s = status) >= 0) {
try {
completed = exec();
} catch (Throwable rex) {
return setExceptionalCompletion(rex);
}
if (completed)
s = setCompletion(NORMAL);
}
return s;
}
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。
参考
《java并发编程的艺术》
源码
https://github.com/wyh-spring-ecosystem-student/spring-boot-student/tree/releases
spring-boot-student-concurrent 工程
layering-cache
为监控而生的多级缓存框架 layering-cache这是我开源的一个多级缓存框架的实现，如果有兴趣可以看一下
