Fork/Join框架

发表时间:2017-09-07 16:46:45 浏览量( 28 ) 留言数( 0 )

学习目标:

1、了解Fork/Join的历史

2、在项目中灵活使用Fork/Join框架


学习过程:

一、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,在所有的子任务在各自的线程中运行,并会等待所有的线程运行结束后,把每个小任务结果后发送给大任务再计算结果的框架模型。

    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:

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二、算法过程

1、工作窃取(work-stealing)

    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:

attcontent/d8518a4a-1a89-467d-ae71-30e9283a9f73.png


    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。如果可以,还是尽量把任务分的均匀一些。这样效率会更高。


3. Fork/Join框架的介绍

    我们已经很清楚Fork/Join框架的需求了,那么我们可以思考一下,如果让我们来设计一个Fork/Join框架,该如何设计?这个思考有助于你理解Fork/Join框架的设计。

    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。

    Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情。


    ForkJoinTask:我们要使用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:

    RecursiveAction:用于没有返回结果的任务。

    RecursiveTask :用于有返回结果的任务。

    ForkJoinPool :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。


4. 使用Fork/Join框架

    让我们通过一个简单的需求来使用下Fork/Join框架,需求是:计算1+2+3+4+...+n的结果。使用Fork/Join框架首先要考虑到的是如何分割任务,如果我们把阈值设置为2,希望每个子任务最多执行两个数的相加,由于是4个数字相加,所以Fork/Join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,实现代码如下:

public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {

	private int threshold = 2;// 阈值

	private int start;
	private int end;

	public CountTask(int start, int end, int threshold) {
		this.start = start;
		this.end = end;
		this.threshold = threshold;

	}

	@Override
	protected Integer compute() {
		
		try {
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}

		int sum = 0;
		if ((end - start) <= threshold) {
			for (int i = start; i <= end; i++) {
				sum += i;
			}
		} else {
			int middle = (end + start) / 2;

			CountTask left = new CountTask(start, middle, threshold);
			CountTask right = new CountTask(middle + 1, end, threshold);

			left.fork();
			right.fork();

			int leftSum = left.join();
			int rightSum = right.join();

			sum = leftSum + rightSum;
		}

		return sum;
	}

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {

		// 默认线程池数量为处理器核数 Runtime.getRuntime().availableProcessors()
		ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();

		System.out.println(forkJoinPool.getParallelism());

		int start = 1;
		int end = 100000;

		int threshold = end / forkJoinPool.getParallelism();

		CountTask countTask = new CountTask(start, end, threshold);
		


		Future<Integer> future = forkJoinPool.submit(countTask);

		do {
			System.out.printf("池中活动线程数量: %d\n", forkJoinPool.getActiveThreadCount());
			System.out.printf("偷窃算法数量: %d\n", forkJoinPool.getStealCount());
			System.out.printf("并行数量: %d\n", forkJoinPool.getParallelism());
			System.out.println();
			try {
				Thread.sleep(5);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		} while (forkJoinPool.getActiveThreadCount()>0);

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

		int sum = future.get();

		System.out.println(sum);
		
		forkJoinPool.shutdown(); // 实际中使用完,也记得关闭线程池
	}

}

    通过这个例子让我们再来进一步了解ForkJoinTask,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小任务,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。


5. 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方法获取异常。使用如下代码:


if(task.isCompletedAbnormally())

{

    System.out.println(task.getException());

}

getException方法返回Throwable对象,如果任务被取消了则返回CancellationException。如果任务没有完成或者没有抛出异常则返回null。