Java7提供的并行执行任务框架:Fork、Join框架

mrxi / 文 发表于2016-03-31 23:14 次阅读 并发编程

一、定义

Fork/join主要是Java7提供的一个并行执行任务的框架,Fork就是把一个大任务切分为诺干子任务并行的执行,Join就是合并这些子任务的执行结果,最后得到大任务的结果。

如果1+2+3+……+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。

二、实现

需求:计算1+2+3+4

使用Fork、Join框架首先要考虑到时如何分割任务,如果希望每个子任务最多执行两个数的相加,那么我们设置分割的阈值是2,由于4个数字相加,所以这个框架会把这个任务fork成两个子任务,子任务一负责计算1+2,子任务二负责计算3+4,然后再join两个子任务的结果,因为是有结果的任务,所以必须继承RecursiveTask,具体实现代码如下:

public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {

private static final int THRESHOLD = 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;
//如果任务足够小就计算任务
boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        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计算
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();
//等待子任务执行完,并得到其结果
int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();
//合并子任务
sum = leftResult + rightResult;
}
return sum;
}
}
public static void main(String[] strs) {

    ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
//生成一个计算任务,负责计算1+2+3+4
CountTask task = new CountTask(1, 4);
//执行一个任务
Future<Integer>  result = forkJoinPool.submit(task);
    try {
        System.out.println(result.get());
} catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
}

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

}

通过这个例子,我们进一步了解了ForkJoinTask,ForkJoinTask与一般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子任务,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。

ForkJoinTask在执行任务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方法捕获异常

三、实现原理

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

(1).ForkJoinTask的fork方法实现原理

当我们调用ForkJoinTask的fork方法时,程序会调用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法异步的执行这个任务,然后立即返回结果,代码如下:

public final ForkJoinTask<V> fork() {
    ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())
        .pushTask(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,代码如下:


final void pushTask(ForkJoinTask<?> t) {
    ForkJoinTask<?>[] q; int s, m;
    if ((q = queue) != null) {    // ignore if queue removed
        long u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1)) << ASHIFT) + ABASE;
        UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t);
        queueTop = s + 1;         // or use putOrderedInt
        if ((s -= queueBase) <= 2)
            pool.signalWork();
        else if (s == m)
            growQueue();
    }
}

(2).ForkJoinTask的join方法实现原理


Join方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。让我们一起看看ForkJoinTask的join方法的实现,代码如下:

public final V join() {
    if (doJoin() != NORMAL)
        return reportResult();
    else
        return getRawResult();
}
private V reportResult() {
    int s; Throwable ex;
    if ((s = status) == CANCELLED)
        throw new CancellationException();
    if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != null)
        UNSAFE.throwException(ex);
    return getRawResult();
}

首先,它调用了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).


       ①:如果任务状态是已完成,则直接返回任务结果

       ②:如果任务状态是被取消,则直接抛出CancellationException

       ③:如果任务状态是抛出异常,则直接抛出对应的异常

doJoin方法代码如下:

private int doJoin() {
    Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed;
    if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) {
        if ((s = status) < 0)
            return s;
        if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) {
            try {
                completed = exec();
            } catch (Throwable rex) {
                return setExceptionalCompletion(rex);
            }
            if (completed)
                return setCompletion(NORMAL);
        }
        return w.joinTask(this);
    }
    else
        return externalAwaitDone();
}

   在doJoin()方法里,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,如果没有执行完,则从任务数组里取出任务并执行,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EXCEPTION.



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