Java并发编程：浅谈Fork/Join框架
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一、Fork/Join的核心思想
Fork/Join 框架是 Java7 提供了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。
Fork的本意为刀叉，我们可以理解成一个大型任务被切分成若干个子任务并行地执行。Join就是合并这些子任务的执行过程，那么最终会得到这个大任务的结果。就好比计算 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的运行流程图如下：
二、工作"窃取"
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。
假如我们需要做一个比较大的任务，我们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，于是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。
工作窃取算法的优点是充分利用线程进行并行计算，并减少了线程间的竞争，其缺点是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。
与其说是工作"窃取"，到不如说是工作协作~
三、Fork/Join 框架设计步骤
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，所以还需要不停的分割，直到分割出的子任务足够小。
涉及到 ForkJoinTask 类：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，而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。
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。
涉及到 ForkJoinPool 类：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。
四、一个Fork/Join 框架的例子
万事俱备，让我们应用一下Fork/Join来计算1+2+...+100
首先我们构思一下应该如何分割任务，假如每个子任务最多执行10个数字的相加计算，那么我们就设置分割的阈值为10，由于一共有100个数字，那么Fork/Join框架就会把计算1+2+...+100这个大任务分割成10个子任务，最后join所有子任务的结果。
因为是有结果的任务，所以应该继承 RecursiveTask 类。
代码如下：
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 THRESOLD=10; //阈值
private int start;
private int end;
public CountTask(int start,int end){
this.start=start;
this.end=end;
}
@Override
public Integer compute() {
int sum=0;
//如果任务足够小就进行运算
boolean canCompute=(end-start)<=THRESOLD;
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
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();
//得到子任务结果
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 forJoinPool=new ForkJoinPool();
CountTask task=new CountTask(1, 100);
Future<Integer> result=forJoinPool.submit(task);
try {
System.out.println(result.get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}继承 ForkJoinTask 类需要override一个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子任务，直到不能继续分割，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。
不过运行时间有点慢哈，我尝试了增加运算范围和改变阈值，运算时间都不如直接一个for循环快，可能Fork/Join框架的用武之地不在于计算吧，或者是我的计算太简单了吧哈哈。
五、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。
所以我们可以上面代码try-catch块外部套一个判断：
if (task.isCompletedAbnormally()) {
System.out.println(task.getException());
}else{
try {
System.out.println("result:" + result.get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}参考资料
1、https://blog.****.net/u012152619/article/details/73692025
2、https://www.infoq.cn/article/fork-join-introduction