多线程（五） Fork/Join框架介绍及实例讲解

什么是Fork/Join框架

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。

我们再通过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。Fork/Join的运行流程图如下：

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：


那么为什么需要使用工作窃取算法呢？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。

ForkJoinPool

Java提供了ForkJoinPool来支持将一个任务拆分成多个“小任务”并行计算，再把多个“小任务”的结果合成总的计算结果。

ForkJoinPool是ExecutorService的实现类，因此是一种特殊的线程池。ForkJoinPool提供了如下两个常用的构造器。

public ForkJoinPool(int parallelism)：创建一个包含parallelism个并行线程的ForkJoinPool
public ForkJoinPool() ：以Runtime.getRuntime().availableProcessors()的返回值作为parallelism来创建ForkJoinPool

创建ForkJoinPool实例后，可以钓鱼ForkJoinPool的submit(ForkJoinTask<T> task)或者invoke(ForkJoinTask<T> task)来执行指定任务。其中ForkJoinTask代表一个可以并行、合并的任务。ForkJoinTask是一个抽象类，它有两个抽象子类：RecursiveAction和RecursiveTask。

RecursiveTask代表有返回值的任务
RecursiveAction代表没有返回值的任务。

RecursiveAction

下面以一个没有返回值的大任务为例，介绍一下RecursiveAction的用法。

大任务是：打印0-100的数值。

小任务是：每次只能打印20个数值。

代码执行

package cn.itcast.lishehe;

import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.RecursiveAction;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
*
* @author lishehe-2015年6月19日
*RecursiveAction代表没有返回值的任务。
*/
class PrintTask extends RecursiveAction {
// 每个"小任务"最多只打印20个数
private static final int MAX = 20;

private int start;
private int end;

PrintTask(int start, int end) {
this.start = start;
this.end = end;
}

@Override
protected void compute() {
// 当end-start的值小于MAX时候，开始打印
if ((end - start) < MAX) {
for (int i = start; i < end; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "的i值:"
+ i);
}
} else {
// 将大任务分解成两个小任务
int middle = (start + end) / 2;
PrintTask left = new PrintTask(start, middle);
PrintTask right = new PrintTask(middle, end);
// 并行执行两个小任务
left.fork();
right.fork();
}
}
}

public class ForkJoinPoolTest {
/**
* @param args
* @throws Exception
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 创建包含Runtime.getRuntime().availableProcessors()返回值作为个数的并行线程的ForkJoinPool
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
// 提交可分解的PrintTask任务
forkJoinPool.submit(new PrintTask(0, 1000));
forkJoinPool.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);//阻塞当前线程直到 ForkJoinPool 中所有的任务都执行结束
// 关闭线程池
forkJoinPool.shutdown();
}

}

运行结果



从上面结果来看，ForkJoinPool启动了四个线程来执行这个打印任务，我的计算机的CPU是四核的。大家还可以看到程序虽然打印了0-999这一千个数字，但是并不是连续打印的，这是因为程序将这个打印任务进行了分解，分解后的任务会并行执行，所以不会按顺序打印。

RecursiveTask

下面以一个有返回值的大任务为例，介绍一下RecursiveTask的用法。

大任务是：计算随机的1000个数字的和。

小任务是：每次只能70个数值的和。

package cn.itcast.lishehe;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
/**
*
* @author 李社河-2015年6月19日
*RecursiveTask代表没有返回值的任务。
*/
class SumTask extends RecursiveTask<Integer> {
// 每个"小任务"最多只打印70个数
private static final int MAX = 70;
private int arr[];
private int start;
private int end;

SumTask(int arr[], int start, int end) {
this.arr = arr;
this.start = start;
this.end = end;
}

@Override
protected Integer compute() {
int sum = 0;
// 当end-start的值小于MAX时候，开始打印
if ((end - start) < MAX) {
for (int i = start; i < end; i++) {
sum += arr[i];
}
return sum;
} else {
System.err.println("=====任务分解======");
// 将大任务分解成两个小任务
int middle = (start + end) / 2;
SumTask left = new SumTask(arr, start, middle);
SumTask right = new SumTask(arr, middle, end);
// 并行执行两个小任务
left.fork();
right.fork();
// 把两个小任务累加的结果合并起来
return left.join() + right.join();
}
}

}

public class ForkJoinPoolTest2 {
/**
* @param args
* @throws Exception
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
int arr[] = new int[1000];
Random random = new Random();
int total = 0;
// 初始化100个数字元素
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
int temp = random.nextInt(100);
// 对数组元素赋值,并将数组元素的值添加到total总和中
total += (arr[i] = temp);
}
System.out.println("初始化时的总和=" + total);
// 创建包含Runtime.getRuntime().availableProcessors()返回值作为个数的并行线程的ForkJoinPool
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
// 提交可分解的PrintTask任务
Future<Integer> future = forkJoinPool.submit(new SumTask(arr, 0,
arr.length));
System.out.println("计算出来的总和=" + future.get());
// 关闭线程池
forkJoinPool.shutdown();
}

}

从上面结果来看，ForkJoinPool将任务分解了15次，程序通过SumTask计算出来的结果，和初始化数组时统计出来的总和是相等的，这表明计算结果一切正常。

总结

第一步分割任务

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。

第二步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。

能够轻松的利用多个 CPU 提供的计算资源来协作完成一个复杂的计算任务，提高运行效率！