Fork/Join框架

1. Fork/Join框架简介

Fork/Join它可以将一个大的任务拆分成多个子任务进行并行处理，最后将子任务结果合并成最后的计算结果，并进行输出。Fork/Join框架要完成两件事情：

• Fork：把一个复杂任务进行分拆，大事化小。
• Join：把分拆任务的结果进行合并。
  图中六边形任务不断被分解成四边形，三角形任务进行处理然后逐步汇总。

1. 任务分割：首先Fork/Join框架需要把大的任务分割成足够小的子任务，如果子任务比较大的话还要对子任务进行继续分割。
2. 执行任务并合并结果：分割的子任务分别放到双端队列里，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放在另外一个队列里，启动一个线程从队列里取数据，然后合并这些数据。

2. Fork/Join相关的类

2.1 ForkJoinTask

我们要使用Fork/Join框架，首先需要创建一个ForkJoin任务。该类提供了在任务中执行fork和join的机制。通常情况下我们不需要直接集成ForkJoinTask类，只需要继承它的子类，Fork/Join框架提供了两个子类：

• RecursiveAction：用于没有返回结果的任务
• RecursiveTask:用于有返回结果的任务

2.2 ForkJoinPool

ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行

2.3 RecursiveTask

继承后可以实现递归(自己调自己)调用的任务

2.4 Fork/Join框架的实现流程

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责将存放以及将程序提交给ForkJoinPool，而 ForkJoinWorkerThread负责执行这些任务。

3. fork方法

当我们调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会把任务放在 ForkJoinWorkerThread的pushTask的workQueue中，异步地执行这个任务，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;
}

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。源代码如下：

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();
    }
}

4. join方法

Join方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。其中ForkJoinTask的join方法的实现源代码：

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

它首先调用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。
  其中doJoin方法的实现源代码：

private int doJoin() {
    int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueuew;
    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();
 }
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()方法流程如下:

1. 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；
2. 如果没有执行完，则从任务数组里取出任务并执行。
3. 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。

5. 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。

6. ForkJoin实操

场景: 生成一个计算任务，计算1+2+3.........+1000, 每100个数切分一个子任务。

public class ForkJoinDemo {

    static class MyForkJoinTask extends RecursiveTask<Integer> {

        private int begin;

        private int end;

        private int result;

        private static final int THRESHOLD = 10;

        public MyForkJoinTask(int begin, int end) {
            this.begin = begin;
            this.end = end;
        }

        // 拆分合并过程
        @Override
        protected Integer compute() {
            // 判断两个数值是否大于10
            if (end - begin <= 10) {
                for (int i = begin; i <= end; i++) {
                    this.result += i;
                }
            } else {
                int middle = (begin + end) / 2;
                MyForkJoinTask task01 = new MyForkJoinTask(begin, middle);
                MyForkJoinTask task02 = new MyForkJoinTask(middle+1, end);
                task01.fork();
                task02.fork();
                // 合并结果
                result = task01.join() + task02.join();
            }
            return result;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        ForkJoinTask<Integer> forkJoinTask = forkJoinPool.submit(new MyForkJoinTask(0, 100));
        Integer result = forkJoinTask.get();
        System.out.println(result);
    }
}

运行结果：