[转] Fork/Join框架

概述

Fork/Join 框架是 Java 7 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。
通过 Fork 和 Join 这两个单词来理解下 Fork/Join 框架，Fork 就是把一个大任务切分为若干子任务并行的执行，Join 就是合并这些子任务的执行结果，最后得到这个大任务的结果。
比如计算 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。
运行流程图如下：

通过上面的流程图可以知道，Fork/Join框架主要实现了两个功能，即任务分割、任务执行与结果合并：

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。
Fork/Join使用ForkJoinTask类来完成分割任务操作，所以当要使用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，而只需要继承它的子类，Fork/Join 框架提供了以下两个子类：
1. RecursiveAction：用于没有返回结果的任务；
2. RecursiveTask ：用于有返回结果的任务。
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。
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（下面讲到的工作窃取算法）。
使用Fork/Join框架也要按照上面的框架来进行使用。

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。工作窃取的运行流程图如下：

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。

源码分析

源码分析参考：
[1] https://www.infoq.cn/article/fork-join-introduction
[2] https://www.cnblogs.com/jinggod/p/8490573.html

应用实例

public class ForkJoinExample extends RecursiveTask<Integer> {

    public static final int threshold = 2;
    private Integer start;
    private Integer end;

    ForkJoinExample(Integer start, Integer end) {
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
         // 如果任务足够小就直接计算任务
        boolean canCompute = (end - start) <= threshold;
        if (canCompute) {
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                sum += i;
            }
        }
        // 对任务进行拆分
        else {
            int middle = (start + end) / 2;
            // 拆分子任务
            ForkJoinExample leftTask = new ForkJoinExample(start, middle);
            ForkJoinExample rightTask = new ForkJoinExample(middle + 1, end);

            // 执行子任务
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();

            // 等待两个任务执行并合并结果
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();

            sum = leftResult + rightResult;
        }
        return sum;
    }


    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();

        // 新建一个ForkJoin任务, 计算 1...100
        ForkJoinExample forkJoinExample = new ForkJoinExample(1, 100);

        // 执行一个任务
        Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(forkJoinExample);

        try {
            System.out.println("Result:" + result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

ForkJoinTask 与一般的任务的主要区别在于它需要实现 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孙任务，如果不需要继续分割，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。

参考资料

[1] https://www.infoq.cn/article/fork-join-introduction
[2] https://www.cnblogs.com/jinggod/p/8490573.html