fork/join框架介绍及工作窃取算法转载于 https://juejin.cn/post/6844903646367334414
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。
它的主要思想是：分而治之。
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。
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。
介绍
Fork/Join框架的设计分为两步：
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。
使用
使用Fork/Join框架计算：1+2+3+……+100000000.
使用Fork／Join框架首先要考虑到的是如何分割任务，如果我们希望每个子任务最多执行10000个数的相加，那么我们设置分割的阈值是10000，由于是100000000个数字相加，所以会不停的分割，第一次先分割成两部分，即1~50000000 和 50000001~100000000，第二次继续将 1~50000000 分割成 1~25000000 和 25000001~50000000 ，将50000001~100000000 分割成 50000001~75000000 和 75000001~100000000 ……，一直分割，直到 开始和 结束的的差小于等于10000。
import java.util.concurrent.*;
public class CountTask extends RecursiveTask<Long> {
/**
* 阀值
*/
private static final long THRESHOLD = 10000;
// 开始数
private long start;
// 结束数
private long end;
public CountTask(long start, long end) {
this.start = start;
this.end = end;
}
@Override
protected Long compute() {
long sum = 0;
// 如果足够小就计算
boolean canComplute = (end - start) <= THRESHOLD;
if(canComplute) {
for(long i = start; i <= end; i++) {
sum += i;
}
} else { // 否则，对大任务进行拆分
// 对半分
long middle = (start + end) /2;
// 进行递归
CountTask left = new CountTask(start, middle);
CountTask right = new CountTask(middle + 1, end);
// 执行子任务
invokeAll(left, right);
// 获取结果
long lResult = left.join();
long rRight = right.join();
sum = lResult + rRight;
}
return sum;
}
public static void main(String[] args) {
long s = System.currentTimeMillis();
ForkJoinPool pool = ForkJoinPool.commonPool();
CountTask countTask = new CountTask(1,100000000); // 参数为起始值与结束值
Future<Long> result = pool.submit(countTask);
// 如果任务完成
if(!((ForkJoinTask<Long>) result).isCompletedAbnormally()) {
try {
// 获取任务结果
System.out.println("fork/join计算为：" + result.get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("fork/join计算花费时间：" + (System.currentTimeMillis() - s) + "ms");
s = System.currentTimeMillis();
long sum = 0;
for(int i = 1; i <= 100000000 ; i++) {
sum += i;
}
System.out.println("计算结果：" + sum);
System.out.println("普通计算花费时间：" + (System.currentTimeMillis() - s) + "ms");
}
}
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fork/join计算为：5000000050000000 fork/join计算花费时间：53ms 计算结果：5000000050000000 普通计算花费时间：55ms
三种提交任务到ForkJoinPool的方法：
- execute():异步执行，没有任何返回 。
- invoke():同步执行，调用之后需要等待任务完成，才能执行后面的代码 。
- submit():异步执行，当调用get方法的时候会阻塞，完成时返回一个future对象用于检查状态以及运行结果。
ForkJoinPool commonPool = ForkJoinPool.commonPool();
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为公共池提供一个引用，使用预定义的公共池减少了资源消耗，因为这阻碍了每个任务创建一个单独的线程池。
检查任务运行的状态
- 无论以什么方式结束任务，isDone() 方法返回true；
- 如果完成任务过程中没有被取消或者发生异常，isCompletedNormally() 方法返回true；
- 如果任务被取消， isCancelled() 方法返回true；
- 如果任务被取消或者遇到异常，isCompletedAbnormally() 方法返回true
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());
}
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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。
与ExecutorService 的区别
Fork/Join采用“工作窃取模式”，当执行新的任务时他可以将其拆分成更小的任务执行，并将小任务加到线程队列中，然后再从一个随即线程中偷一个并把它加入自己的队列中。
就比如两个CPU上有不同的任务，这时候A已经执行完，B还有任务等待执行，这时候A就会将B队尾的任务偷过来，加入自己的队列中，对于传统的线程，ForkJoin更有效的利用的CPU资源！
实现原理
ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责存放程序提交给ForkJoinPool的任务，而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。
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 fork() {
((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())
.pushTask(this);
return this;
}
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pushTask方法把当前任务存放在ForkJoinTask 数组queue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();
}
}
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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，任务状态有四种：已完成（NORMAL），被取消（CANCELLED），信号（SIGNAL）和出现异常（EXCEPTIONAL）。
- 如果任务状态是已完成，则直接返回任务结果。
- 如果任务状态是被取消，则直接抛出CancellationException。
- 如果任务状态是抛出异常，则直接抛出对应的异常。
让我们再来分析下doJoin()方法的实现代码：
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();
}
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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了，如果执行完了，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了，则设置任务状态为NORMAL，如果出现异常，则纪录异常，并将任务状态设置为EXCEPTIONAL。
工作中实际应用
工作中需要同时请求多个渠道方，并将请求结果一并处理，考虑到串行请求可能耗时太久，于是采用并行请求。
创建ForkJoinPoolService，其中的ForkJoinPool采用了默认线程数（默认线程数为CPU核数-1）
@Slf4j
@Service
class ForkJoinPoolService extends ForkJoinPoolFactoryBean implements InitializingBean {
private ForkJoinPool forkJoinPool;
@Override
public void afterPropertiesSet() {
super.afterPropertiesSet();
forkJoinPool = super.getObject();
}
<V> ForkJoinTask<V> doSubmit(ForkJoinTask<V> task) {
return forkJoinPool.submit(task);
}
/**
*
* @param task doSubmit返回
* @param <V> 处理返回类型
* @return 处理结果
* @throws ExecutionException
* @throws InterruptedException
*/
public <V> V get(ForkJoinTask<V> task) {
while (!task.isDone()) {
}
// Returns {@code true} if this task threw an exception or was cancelled.
if (task.isCompletedAbnormally()) {
Throwable exception = task.getException();
if (exception instanceof CancellationException) {
log.error("请求渠道任务被取消", exception);
} else {
log.error("请求渠道时出现异常", exception);
}
throw new RuntimeException(exception);
}
try {
return task.get();
} catch (Exception e) {
log.error("获取forkJoin响应时出现异常", e);
throw new RuntimeException("获取forkJoin响应时出现异常", e);
}
}
<V> void doExecute(ForkJoinTask<V> task) {
forkJoinPool.execute(task);
}
<V> V doInvoke(ForkJoinTask<V> task) {
return forkJoinPool.invoke(task);
}
}
创建forkJoin任务，进行任务拆分执行操作
@Slf4j
class ChannelForkJoinTask extends RecursiveTask<List<BaseResponse>> {
private final List<BaseRequest> requestList;
private final SendChannelMessageService sendChannelMessageService;
private final CacheService cacheService;
ChannelForkJoinTask(List<BaseRequest> baseRequestList, SendChannelMessageService sendChannelMessageService,
CacheService cacheService) {
this.requestList = baseRequestList;
this.sendChannelMessageService = sendChannelMessageService;
this.cacheService = cacheService;
}
private BaseResponse buildExceptionResponse(BaseRequest request) {
BaseResponse baseResponse = instanceBaseResponseWithFunction(request);;
if (baseResponse == null) {
baseResponse = new BaseResponse();
}
baseResponse.setTradeReqId(request.getTradeReqId());
baseResponse.setStatus(ResultStatus.EXCEPTION);
baseResponse.setChannelCode(request.getChannelCode());
baseResponse.setRequestTime(request.getRequestTime());
baseResponse.setFunction(request.getFunction());
return baseResponse;
}
private BaseResponse instanceBaseResponseWithFunction(BaseRequest request) {
ChannelFunctionConst function = request.getFunction();
if (function == null) {
return null;
}
Class<? extends BaseResponse> channelResponseClass = cacheService.getChannelResponseClass(function);
if (channelResponseClass == null) {
return null;
}
try {
return channelResponseClass.newInstance();
} catch (InstantiationException | IllegalAccessException e) {
log.debug("响应初始化时出现异常", e);
return null;
}
}
@Override
protected List<BaseResponse> compute() {
List<BaseResponse> list = new ArrayList<>();
// 只有一个任务时的处理
if (requestList.size() == 1) {
// 获取请求参数
BaseRequest baseRequest = requestList.get(0);
MDC.put("logToken", baseRequest.getLogToken());
MDCUtil.setParam();
BaseResponse response = null;
try {
// 发送请求，获取响应
response = sendChannelMessageService.sendSync(baseRequest.getChannelCode(), baseRequest);
} catch (Exception e) {
log.error("调用MQ" + baseRequest.getQueueName() + "时出现异常", e);
response = buildExceptionResponse(baseRequest);
}
// 将响应添加到返回的List中
list.add(response);
} else {
// 任务拆分
List<BaseRequest> baseRequests = requestList.subList(0, 1);
List<BaseRequest> lastBaseRequests = requestList.subList(1, requestList.size());
// 创建新的任务
ChannelForkJoinTask firstForkJoinTask =
new ChannelForkJoinTask(baseRequests, sendChannelMessageService, cacheService);
ChannelForkJoinTask lastForkJoinTask =
new ChannelForkJoinTask(lastBaseRequests, sendChannelMessageService, cacheService);
// 执行
invokeAll(firstForkJoinTask, lastForkJoinTask);
// 获取响应
List<BaseResponse> firstJoin = firstForkJoinTask.join();
List<BaseResponse> lastJoin = lastForkJoinTask.join();
// 将响应结果加入返回的list中
list.addAll(firstJoin);
list.addAll(lastJoin);
}
MDC.clear();
return list;
}
}
组装参数，通过forkJoinService调用渠道，获取响应结果
ChannelForkJoinTask channelForkJoinTask =
new ChannelForkJoinTask(requestList, sendChannelMessageService, cacheService);
ForkJoinTask<List<BaseQueryResponse>> task = forkJoinPoolService.doSubmit(channelForkJoinTask);
List<BaseQueryResponse> responseList = forkJoinPoolService.get(task);