Fork/Join

2023-12-01 12:29 由长名06 发表于 #后端开发

Fork/Join框架简介

Fork/Join它可以将一个大的任务拆分成多个子任务并行处理，最后将子任务结果合成并最后的计算结果，并进行输出。FOrk/Join框架要完成两件事情。Fork：把一个复杂的任务进行分析，大任务拆分成小任务；Join：把拆分的结果进行合并。

1.任务分割，Fork/Join框架需要把大的任务分割成足够小的任务，如果子任务比较大的话还要对子任务进行继续分割。
2.执行任务并合并结果，分割的子任务分别放到双端队列里，然后几个启动线程，分别从双端队列里获取任务执行。子任务执行完后的结果都放在另一个队列里，启动一个线程从队列里取数据，然后合并这些数据。

双端队列

双端队列(Double-ended Queue)，简称Deque，是一种具有队列和栈特性的数据结构。双端队列允许从两端插入和删除元素，因此可以在队列的头部和尾部进行插入和和删除操作。
双端队列可以在队列的两端执行以下操作：

在队列头部插入/删除元素；
在队列尾部插入/删除元素；
双端队列的特点是可以在队列的两端进行插入和删除操作，这使得它非常灵活和方便。它可以用于模拟栈，队列和其他数据结构，同时也可以用于解决一些特定的问题，如滑动窗口问题等。在Java中，Deque接口是双端队列的标准实现，它有两个主要的实现类：ArrayDeque,LinkedList。

Fork/Join框架实现任务分割和合并

1.ForkJoinaTask：要使用Fork/Join框架，首先要创建一个ForkJoin任务，该类提供了在任务中执行fork/join的机制。通常情况下，我们不使用ForkJoin的子类ForkJoinTask，只需要继承ForkJoinTask子类，然后使用，Fork/join框架提供了两个子类，RecursiveAction 用以没有返回结果的任务，RecursiveTask 用以有返回结果的任务。
2.ForkJoinPool：ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行。
3.RecursiveTask：继承此类后，可以自定义调用的任务

ForkJoinPool架构图

RecursiveTask架构图

Fork/Join实现原理

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责存放任务，以及将这些任务提交给ForkJoinPool，而ForkJoinWorkerThread负责执行这些任务。

Fork方法的实现原理

当我们调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会把任务放在ForkJoinWorkerThread的pushTask的workQueue中，异步地执行这个任务，然后立即返回结果。

    public final ForkJoinTask<V> fork() {
        Thread t;
        if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
            ((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
        else
            ForkJoinPool.common.externalPush(this);
        return this;
    }

push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执行任务。

    final void push(ForkJoinTask<?> task) {
        ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;
        int b = base, s = top, n;
        if ((a = array) != null) {    // ignore if queue removed
            int m = a.length - 1;     // fenced write for task visibility
            U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);
            U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);
            if ((n = s - b) <= 1) {
                if ((p = pool) != null)
                    p.signalWork(p.workQueues, this);//执行任务
            }
            else if (n >= m)
                growArray();
        }
    }

Join方法

Join方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。

	/**
     * Returns the result of the computation when it {@link #isDone is
     * done}.  This method differs from {@link #get()} in that
     * abnormal completion results in {@code RuntimeException} or
     * {@code Error}, not {@code ExecutionException}, and that
     * interrupts of the calling thread do <em>not</em> cause the
     * method to abruptly return by throwing {@code
     * InterruptedException}.
     *
     * @return the computed result
     */
    public final V join() {
        int s;
        if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)//执行doJoin() 根据返回状态判断返回结果
            reportException(s);
        return getRawResult();
    }

任务状态有4种 已完成(NORMAL)，被取消(CANCELLED)，信号(SIGNAL)和出现异常(EXCEPTIONAL)

doJoin方法

/**
Implementation for join, get, quietlyJoin. Directly handles only cases of already-completed, external wait, * and unfork+exec. Others are relayed to ForkJoinPool.awaitJoin.
* Returns: status upon completion
*/
	/*
	流程
	1.当任务状态，已经执行完成，就直接返回任务状态
	2.如果没有执行完，则从任务数组里取出任务并执行。
	3.如果任务顺利执行完成，则设置任务状态未NORMAL，出现异常，则记录异常，并将任务状态设置为EXCEPTIONAL
	*/
	private int doJoin() {
        int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;
        return (s = status) < 0 ? s :
            ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?
            (w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).
            tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s :
            wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :
            externalAwaitDone();
    }
/**
* Primary execution method for stolen tasks. Unless done, calls exec and records status if completed, but 	 * doesn't wait for completion otherwise.
* Returns: status on exit from this method
*/
	final int doExec() {
        int s; boolean completed;
        if ((s = status) >= 0) {
            try {
                completed = exec();
            } catch (Throwable rex) {
                return setExceptionalCompletion(rex);
            }
            if (completed)
                s = setCompletion(NORMAL);
        }
        return s;
    }

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获取异常。

public final Throwable getException() {//任务没有完成，或者没有抛出异常返回null
    int s = status & DONE_MASK;
    return ((s >= NORMAL)    ? null :
            (s == CANCELLED) ? new CancellationException() ://任务取消，返回CancellationException
            getThrowableException());
}

案例计算1+..+100

class MyTask extends RecursiveTask<Integer> {

    public static final Integer VALUE = 10;
    private int begin;
    private int end;
    private int result;

    public MyTask(int begin, int end) {
        this.begin = begin;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        if (begin - end < VALUE) {//差值小于10
            for (int i = begin; i <= end; i++) {
                result += i;
            }
        } else {
            int middle = ( begin + end) / 2;
            MyTask myTask1 = new MyTask(begin, middle);
            MyTask myTask2 = new MyTask(middle, end);
            myTask1.fork();
            myTask2.fork();
            result = myTask1.join() + myTask2.join();
        }
        return result;
    }
}

public class ForkJoinDemo {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        MyTask myTask = new MyTask(1, 100);
        ForkJoinTask<Integer> joinTask = forkJoinPool.submit(myTask);
        System.out.println(joinTask.get());
        forkJoinPool.shutdown();
    }
}

只是为了记录自己的学习历程，且本人水平有限，不对之处，请指正。