JUC高并发编程11：Fork/Join分支合并框架

1 Fork/Join 框架简介

Fork/Join 框架是 Java 7 引入的一种并行编程框架，用于将一个大任务拆分成多个小任务进行并行处理，最后将子任务的结果合并成最终的计算结果。Fork/Join 框架的核心思想是将任务递归地分解为更小的子任务，直到子任务足够简单，可以直接执行。然后，框架会将这些子任务的结果合并，最终得到整个任务的结果。

1.1 Fork/Join 框架的主要组件

ForkJoinPool：一个特殊的线程池，用于执行 Fork/Join 任务。
ForkJoinTask：表示一个可以被 Fork/Join 框架执行的任务。通常使用其子类 RecursiveTask（有返回值）或 RecursiveAction（无返回值）。
RecursiveTask：表示一个有返回值的任务，通常用于需要返回结果的任务。
RecursiveAction：表示一个无返回值的任务，通常用于不需要返回结果的任务。

1.2 Fork/Join 框架的工作原理

Fork：将一个复杂的任务分解为多个子任务，直到子任务足够简单，可以直接执行。
Join：将子任务的结果合并，最终得到整个任务的结果。

1.3 Fork/Join 框架的优点

并行处理：能够充分利用多核处理器的优势，提高任务的执行效率。
任务分解：能够将复杂的任务分解为多个简单的子任务，简化任务的处理逻辑。
结果合并：能够自动将子任务的结果合并，得到最终的结果。

2 Fork/Join 框架的实现原理

2.1 ForkJoinPool 的组成

ForkJoinPool 由两个主要部分组成：

ForkJoinTask 数组：负责存放以及将任务提交给 ForkJoinPool。
ForkJoinWorkerThread 数组：负责执行这些任务。

2.2 Fork 方法

当我们调用 ForkJoinTask 的 fork 方法时，程序会把任务放在 ForkJoinWorkerThread 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);elseForkJoinPool.common.externalPush(this);return this;
}

pushTask 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来执行任务。

final void push(ForkJoinTask<?> task) {ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;int b = base, s = top, n;if ((a = array) != null) { // ignore if queue removedint m = a.length - 1; // fenced write for task visibilityU.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}else if (n >= m)growArray();}
}

2.3 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。ForkJoinTask 的 join 方法的实现如下：

public final V join() {int s;if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)reportException(s);return getRawResult();
}

它首先调用 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 4 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。

doJoin 方法的实现如下：

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();
}

doExec 方法的实现如下：

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;
}

在 doJoin() 方法流程如下：

首先通过查看任务的状态，看任务是否已经执行完成，如果执行完成，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，则设置任务状态为 NORMAL，如果出现异常，则记录异常，并将任务状态设置为 EXCEPTIONAL。

2.4 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。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 getException 方法获取异常。

public final Throwable getException() {int s = status & DONE_MASK;return ((s >= NORMAL) ? null :(s == CANCELLED) ? new CancellationException() :getThrowableException());
}

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。

2.5 小结

Fork/Join 框架通过将大任务分解为多个小任务，并行处理这些小任务，最后将结果合并，能够有效地提高任务的执行效率。适用于需要并行处理的任务，如数组计算、树遍历等。通过合理设置任务分解的阈值，可以平衡任务的分解和合并的开销，达到最佳的性能。

3 案例实现

场景：生成一个计算任务，计算1+2+3+4+…+100，要求相加两个数，差值不超过10，如果超过10，继续拆分

class MyTask extends RecursiveTask<Integer>{// 拆分差值不能超过10，计算10以内的运算private static  final Integer VALUE = 10;private int begin;  // 拆分开始值private int end;    // 拆分结束值private int result; // 返回结果// 创建有参构造public MyTask(int begin,int end){this.begin = begin;this.end = end;}// 拆分和合并过程@Overrideprotected Integer compute() {// 判断相加两个数值是否大于10if(end - begin <= VALUE){// 相加操作for (int i = begin; i <= end; i++) {result = result + i;}} else {// 进一步拆分// 获取中间值int middle = (begin + end)/2;// 拆分左边MyTask myTask01 = new MyTask(begin, middle);// 拆分右边MyTask myTask02 = new MyTask(middle + 1, end);// 调用方法拆分myTask01.fork();myTask02.fork();// 合并结果result = myTask01.join() + myTask02.join();}return result;}
}
public class ForkJoinDemo {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {// 创建MyTask对象MyTask myTask = new MyTask(0, 100);// 创建分支合并池对象ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();ForkJoinTask<Integer> forkJoinTask = forkJoinPool.submit(myTask);// 获取最终合并之后的结果Integer result = forkJoinTask.get();System.out.println(result);// 关闭池对象forkJoinPool.shutdown();}
}