Fork/Join框架詳解

　　Fork/Join框架是Java 7提供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，最終彙總每一個小任務結果後獲得大任務結果的框架。Fork/Join框架要完成兩件事情：

　　1.任務分割：首先Fork/Join框架須要把大的任務分割成足夠小的子任務，若是子任務比較大的話還要對子任務進行繼續分割

　　2.執行任務併合並結果：分割的子任務分別放到雙端隊列裏，而後幾個啓動線程分別從雙端隊列裏獲取任務執行。子任務執行完的結果都放在另一個隊列裏，啓動一個線程從隊列裏取數據，而後合併這些數據。

　　在Java的Fork/Join框架中，使用兩個類完成上述操做

　　1.ForkJoinTask:咱們要使用Fork/Join框架，首先須要建立一個ForkJoin任務。該類提供了在任務中執行fork和join的機制。一般狀況下咱們不須要直接集成ForkJoinTask類，只須要繼承它的子類，Fork/Join框架提供了兩個子類：

　　　　a.RecursiveAction：用於沒有返回結果的任務

　　　　b.RecursiveTask:用於有返回結果的任務

　　2.ForkJoinPool:ForkJoinTask須要經過ForkJoinPool來執行

　　任務分割出的子任務會添加到當前工做線程所維護的雙端隊列中，進入隊列的頭部。當一個工做線程的隊列裏暫時沒有任務時，它會隨機從其餘工做線程的隊列的尾部獲取一個任務(工做竊取算法)。

Fork/Join框架的實現原理

　　ForkJoinPool由ForkJoinTask數組和ForkJoinWorkerThread數組組成，ForkJoinTask數組負責將存放程序提交給ForkJoinPool，而ForkJoinWorkerThread負責執行這些任務。

　　ForkJoinTask的Fork方法的實現原理：
　　當咱們調用ForkJoinTask的fork方法時，程序會把任務放在ForkJoinWorkerThread的pushTask的workQueue中，異步地執行這個任務，而後當即返回結果，代碼以下：

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;
    }

　　pushTask方法把當前任務存放在ForkJoinTask數組隊列裏。而後再調用ForkJoinPool的signalWork()方法喚醒或建立一個工做線程來執行任務。代碼以下：

　　

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();
            }
        }

　　ForkJoinTask的join方法實現原理

　　Join方法的主要做用是阻塞當前線程並等待獲取結果。讓咱們一塊兒看看ForkJoinTask的join方法的實現，代碼以下：

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

　　它首先調用doJoin方法，經過doJoin()方法獲得當前任務的狀態來判斷返回什麼結果，任務狀態有4種：已完成（NORMAL）、被取消（CANCELLED）、信號（SIGNAL）和出現異常（EXCEPTIONAL）。

　　若是任務狀態是已完成，則直接返回任務結果。

　　若是任務狀態是被取消，則直接拋出CancellationException

　　若是任務狀態是拋出異常，則直接拋出對應的異常

　　讓咱們分析一下doJoin方法的實現

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();
    }

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()方法裏，首先經過查看任務的狀態，看任務是否已經執行完成，若是執行完成，則直接返回任務狀態；若是沒有執行完，則從任務數組裏取出任務並執行。若是任務順利執行完成，則設置任務狀態爲NORMAL，若是出現異常，則記錄異常，並將任務狀態設置爲EXCEPTIONAL。

Fork/Join框架的異常處理

　　ForkJoinTask在執行的時候可能會拋出異常，可是咱們沒辦法在主線程裏直接捕獲異常，因此ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法來檢查任務是否已經拋出異常或已經被取消了，而且能夠經過ForkJoinTask的getException方法獲取異常。使用以下代碼：

if(task.isCompletedAbnormally())
{
    System.out.println(task.getException());
}

　　getException方法返回Throwable對象，若是任務被取消了則返回CancellationException。若是任務沒有完成或者沒有拋出異常則返回null。

public final Throwable getException() {
        int s = status & DONE_MASK;
        return ((s >= NORMAL)    ? null :
                (s == CANCELLED) ? new CancellationException() :
                getThrowableException());
    }

使用例子：
　　咱們經過一個簡單的例子來介紹一下Fork/Join框架的使用。需求是求1+2+3+4的結果

　　使用Fork/Join框架首先要考慮到的是如何分割任務，若是但願每一個子任務最多執行兩個數的相加，那麼咱們設置分割的閾值是2，因爲是4個數字相加，因此Fork/Join框架會把這個任務fork成兩個子任務，子任務一負責計算1+2，子任務二負責計算3+4，而後再join兩個子任務的結果。由於是有結果的任務，因此必須繼承RecursiveTask，實現代碼以下：

　　

public class CountTask extends RecursiveTask<Integer>{

    private static final int THREAD_HOLD = 2;

    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;
        //若是任務足夠小就計算
        boolean canCompute = (end - start) <= THREAD_HOLD;
        if(canCompute){
            for(int i=start;i<=end;i++){
                sum += i;
            }
        }else{
            int middle = (start + end) / 2;
            CountTask left = new CountTask(start,middle);
            CountTask right = new CountTask(middle+1,end);
            //執行子任務
            left.fork();
            right.fork();
            //獲取子任務結果
            int lResult = left.join();
            int rResult = right.join();
            sum = lResult + rResult;
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args){
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        CountTask task = new CountTask(1,4);
        Future<Integer> result = pool.submit(task);
        try {
            System.out.println(result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

　　經過這個例子，咱們進一步瞭解ForkJoinTask，ForkJoinTask與通常任務的主要區別在於它須要實現compute方法，在這個方法裏，首先須要判斷任務是否足夠小，若是足夠小就直接執行任務。若是不足夠小，就必須分割成兩個子任務，每一個子任務在調用fork方法時，又會進入compute方法，看看當前子任務是否須要繼續分割成子任務，若是不須要繼續分割，則執行當前子任務並返回結果。使用join方法會等待子任務執行完並獲得其結果。