并发框架之Fork/Join框架

今天来介绍一下java并发框架之Fork/Join

初探Fork/Join:

  • 分割任务

使用一个fork类来把大任务分割成子任务,当子任务还较大时,不停的分割,直到分割到子任务足够小。(类似于归并排序的分化阶段)

  • 执行任务合并结果

分割后的子任务分别放在双端队列里,然后开启多线程分别从双端队列获取任务执行,子任务执行完的结果都放在一个队列里,然后启动一个线程从队列里获取数据,最后合并这些数据。(类似于归并排序的合并阶段)

  • 举一个栗子

一个周末,哥们都来家里做客,我们一共七个人,而只有我会做饭,用了两个小时才做好了所有的饭菜,大家都快饿的半死才吃上了饭。

但是如果我把每一个菜的做法告诉其中两个人,而那两个人又去分别告诉两个人,这样他们四个人同时去做菜(假设我家比较富裕~有很多锅),我就可以去愉快的编程了,并且只用了二十分钟所有的菜就都做好了,最后大家很开心的坐在一起吃饭。

上面的两个小例子:当我把要做很多个菜的任务分进行分发的时候,就相当于我们今天要讲的Fork/Join框架。

  • 下面通过一幅图来更加深刻的理解
Fork:Join运行流程图.png

看完上图是不是觉得更加像归并排序了呢?
当然与递归也是同一个道理,都是为了划分大问题。

  • 实现原理:

ForkJoinTask的fork的实现原理

当我们调用fork方法时,程序会调用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法异步的执行任务,然后立即返回结果

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,然后调用ForkJoinPool的signalWork()方法唤醒或创建一个工作线程来执行任务

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();
            }
}

ForkJoinTask的join方法的实现原理

调用join方法时阻塞当前线程并等待获取结果

public final V join() {
        int s;
        if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
            reportException(s);
        return getRawResult();
}

通过调用doJoin方法来获取当前任务的状态

已完成:NORMAL,直接返回任务结果
被取消:CANCELLED,直接抛出CancellationException
信号:SIGNAL
出现异常:EXCEPTIONAL,抛出对应异常

    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) :
            externalAwaitDone();
    }

在doJoin()方法中,首先查看任务是否已经完成,如果执行完成则直接返回状态,没有完成,则从任务数组中取出任务并执行,顺利完成,则返回NORMAL状态,出现异常则返回EXCEPTIONAL

Fork/Join的使用

当我们遇到一个大的耗时操作时,我们就可以对任务进行拆分,最后进行汇总,下面给出一个使用的Demo

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

/**
 * ForkJoinDemo
 *
 * @author lirongqian
 * @since 2018/02/08
 */
public class ForkJoinDemo extends RecursiveTask<Integer> {

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

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

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        if (canCompute) {
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                try {
                    // 睡一秒来模拟耗时操作
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    sum += i;
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } else {
            int mid = (start + end) / 2;
            ForkJoin.Wait waitLeft = new ForkJoin.Wait(start, mid);
            ForkJoin.Wait waitRight = new ForkJoin.Wait(mid + 1, end);

            waitLeft.fork();
            waitRight.fork();

            int leftResult = waitLeft.join();
            int rightResult = waitRight.join();
            sum = leftResult + rightResult;
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int start = 1;
        int end = 10;
        long start2 = System.currentTimeMillis();
        int sum = 0;
        for (int i = start; i <= end; i++) {
            try {
                // 睡一秒来模拟耗时操作
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                sum += i;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(sum);
        System.out.println("for time: " + (System.currentTimeMillis() - start2));
        long start1 = System.currentTimeMillis();
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        // 生成一个任务
        ForkJoinDemo task = new ForkJoinDemo(start, end);
        // 执行一个任务
        Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
        try {
            System.out.println(result.get());
            System.out.println("Fork/Join time: " + (System.currentTimeMillis() - start1));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * ForkJoin
 *
 * @author lirongqian
 * @since 2018/02/08
 */
public class ForkJoin extends RecursiveTask<String> {

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

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

    @Override
    protected String compute() {
        String sum = "";
        // 判断任务是否大于阈值
        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        if (canCompute) {
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                sum = sum + "ForkJoin: " + "第" + i + "次请求结果为:" + i + "\n";
            }
        } else {
            // 大于阈值时,分裂成两个自任务进行计算
            int mid = (start + end) / 2;
            ForkJoin left = new ForkJoin(start, mid);
            ForkJoin right = new ForkJoin(mid + 1, end);
            // 执行两个自任务
            left.fork();
            right.fork();
            // 获取子任务结果
            String leftResult = left.join();
            String rightResult = right.join();
            // 合并结果
            sum = leftResult + rightResult;
        }
        return sum;
    }

    static class Wait extends RecursiveTask<Integer> {

        private int start;
        private int end;

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

        @Override
        protected Integer compute() {
            int sum = 0;
            boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
            if (canCompute) {
                for (int i = start; i <= end; i++) {
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                        sum += i;
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } else {
                int mid = (start + end) / 2;
                Wait waitLeft = new Wait(start, mid);
                Wait waitRight = new Wait(mid + 1, end);

                waitLeft.fork();
                waitRight.fork();

                int leftResult = waitLeft.join();
                int rightResult = waitRight.join();
                sum = leftResult + rightResult;
            }
            return sum;
        }
    }
}

执行结果:

55
for time: 10041
55
Fork/Join time: 3014

我们可以发现,使用Fork/Join大大缩短了任务执行的时间,是不是很牛逼?大家快去自己动手试一试吧。

编程的乐趣就在于接触到新事物时的眼前一亮

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