Java 8 并行流介绍

在这篇文章中，我们将介绍 Java 并行流（Parallel Stream）。

[Java 8][1] 引入了"并行流"概念实现并行处理。随着硬件成本降低，现在的 CPU 大都拥有多个核心，因此可以使用并行处理加快操作执行。

[1]:https://java2blog.com/java-8-tutorial/

让我们通过一个简单的例子来帮助理解：

```java
package org.arpit.java2blog.java8;
import java.util.Arrays;
import java.util.stream.IntStream;
public class Java8ParallelStreamMain {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("=================================");
    System.out.println("Using Sequential Stream");
    System.out.println("=================================");
    int[] array = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
    IntStream intArrStream = Arrays.stream(array);
    intArrStream.forEach(s->
    {
      System.out.println(s+" "+Thread.currentThread().getName());
    });
    System.out.println("=================================");
    System.out.println("Using Parallel Stream");
    System.out.println("=================================");
    IntStream intParallelStream=Arrays.stream(array).parallel();
    intParallelStream.forEach(s->
    {
      System.out.println(s+" "+Thread.currentThread().getName());
    });
  }
}
```

运行上面的程序，输出结果如下：

```shell
=================================
Using Sequential Stream
=================================
1 main
2 main
3 main
4 main
5 main
6 main
7 main
8 main
9 main
10 main
=================================
Using Parallel Stream
=================================
7 main
6 ForkJoinPool.commonPool-worker-3
3 ForkJoinPool.commonPool-worker-1
9 ForkJoinPool.commonPool-worker-2
2 ForkJoinPool.commonPool-worker-3
5 ForkJoinPool.commonPool-worker-1
10 ForkJoinPool.commonPool-worker-2
1 ForkJoinPool.commonPool-worker-3
8 ForkJoinPool.commonPool-worker-2
4 ForkJoinPool.commonPool-worker-1
```

仔细观察输出结果可以看到，在顺序流情况下，主线程将完成所有工作。主线程会等待当前迭代完成，然后接着进行下一次迭代。

在[并行流][2]的情况下，会同时产生4个线程，在内部使用 `ForkJoinPool` 创建和管理线程。并行流通过 `ForkJoinPool.commonPool()` 静态方法创建 `ForkJoinPool` 实例。

[2]:http://www.java67.com/2018/10/java-8-stream-and-functional-programming-interview-questions-answers.html

并行流会利用所有可用 CPU 核心并行处理任务。如果任务数超过了 CPU 核心数量，那么其余任务将等待当前正在运行的任务完成。

并行流很酷，可以一直用吗？

"当然不是！"

虽然只加上 `.parallel` 就可以把[一个流][3]转为并行流，但这并不表示所有情况都适用。

[3]:https://java2blog.com/java-8-stream-filter-examples/

在使用并行流时，需要考虑许多因素，否则将会遭遇并行流带来的负面影响。

并行流的开销远高于顺序流，而且协调线程需要花费大量时间。

[4]:http://www.java67.com/2014/04/java-8-stream-examples-and-tutorial.html

当且仅当以出现下面的情况时，需要考虑使用并行流：

•  需要处理大量数据；

• 正如你所知道的那样，Java 使用了 [ForkJoinPool][5] 实现并行。`ForkJoinPool` 会把输入流拆分后提交执行，因此需要确保输入流是可拆分的。

[5]:http://javarevisited.blogspot.sg/2016/12/difference-between-executor-framework-and-ForkJoinPool-in-Java.html

例如：

[ArrayList][6] 非常易于拆分，因为可以通过索引找到一个中间元素进行拆分。但 `LinkedList` 很难拆分，而且大多数情况下运行效果并不好。

• 实际使用中会遇到麻烦的性能问题；

• 需要确保线程之间的所有共享资源都能正确同步，否则可能会产生意外的结果。

[6]:https://javarevisited.blogspot.com/2011/05/example-of-arraylist-in-java-tutorial.html

衡量并行性最简单的公式是 Brian Goetz 在他的演讲中提到的 “NQ” 模型。

"NQ 模型："

```
N x Q >10000
```

这里，

• N = 数据元素数量

• Q = 每个元素执行的工作量

这意味着，如果数据元素数量很大且每个元素执行的工作量较小（如加法操作），并行性可能会让程序更快地运行，反之亦然。如果数据元素数量较少且每个元素执行的工作量较大（比如做一些复杂的计算工作），并行处理也可能会更快地得到结果。

让我们看看另一个例子。

下面的示例将展示在执行长时间计算时，采用并行流或顺序流 CPU 的不同表现。我们将做一些耗时的计算让 CPU 忙碌起来。

```java
package org.arpit.java2blog.java8;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class PerformanceComparisonMain {
  public static void main(String[] args) {
    
    long currentTime=System.currentTimeMillis();
    List<Integer> data=new ArrayList<Integer>();
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
      data.add(i);
    }
    
    long sum=data.stream()
        .map(i ->(int)Math.sqrt(i))
        .map(number->performComputation(number))
        .reduce(0,Integer::sum);
    
    System.out.println(sum);
    long endTime=System.currentTimeMillis();
    System.out.println("Time taken to complete:"+(endTime-currentTime)/(1000*60)+" minutes");
    
  }
  
  public static int performComputation(int number)
  {
    int sum=0;
    for (int i = 1; i < 1000000; i++) {
      int div=(number/i);
      sum+=div;
      
    }
    return sum;
  }
}
```

运行上面的程序结果如下：

>>>
117612733
Time taken to complete:6 minutes
>>>

然而这里不关心输出，而是关心在执行操作时 CPU 的表现。

如图所示，在顺序流情况下，CPU 没有得到充分利用。

让我们修改第16行使并行流，再次运行程序。

```java
long sum=data.stream()
        .parallel()
        .map(i ->(int)Math.sqrt(i))
        .map(number->performComputation(number))
        .reduce(0,Integer::sum);
```

使用并行流执行，输出的结果中耗时明显减少。

>>>
117612733
Time taken to complete:3 minutes
>>>

查看使用并行流运行程序时 CPU 的历史记录。

如图所示，并行流使用了所有4个 CPU 核心进行计算。

以上是有关 Java 并行流的所有介绍。