多线程之ForkJoin框架[通俗易懂]

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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。

工作窃取算法

工作窃取算法：通过此算法降低线程等待和竞争。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。

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（当一个工作线程中没有任务时，会从其他工作线程的队列尾部获取一个任务）。

Fork/Join框架

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。

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 (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)，然后立即返回结果.

ForkJoinTask的join方法实现原理：Join方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。

实现一个简单案例：计算0+1+2+3+。。。。1000000

RecursiveTask

package com.example.demo.three.untils.forkjoin;


import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.ForkJoinTask;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
import java.util.stream.IntStream;

/** * @Author: CYM * @Description: * @Data: 2017/10/12 23:08 */
public class ForkJoinRecursiveTask { 
   

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        long l1 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(IntStream.rangeClosed(0, 100000).sum());
        long l2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(l2 - l1);

        long l3 = System.currentTimeMillis();
        final ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        ForkJoinTask<Integer> future = forkJoinPool.submit(new myRecursiveTask(0, 100000));
        Integer result = future.get();  //阻塞，直到获取值.
        long l4 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(result);
        System.out.println(l4 - l3);
    }

    static class myRecursiveTask extends RecursiveTask<Integer> {
        private final long MID = 10000;
        private final int start;
        private final int end;

        myRecursiveTask(int start, int end) {
            this.start = start;
            this.end = end;
        }

        @Override
        protected Integer compute() {
            if (end - start <= MID) {
                return IntStream.rangeClosed(start, end).sum();
            } else {
                int middle = Math.round((start + end) / 2);
                myRecursiveTask left = new myRecursiveTask(start, middle);
                myRecursiveTask right = new myRecursiveTask(middle + 1, end);
                left.fork();
                right.fork();
                return left.join() + right.join();            }
        }
    }
}

RecursiveAction

由于没有返回结果，这里把结果放到AtomicInteger，方便查看结果。

package com.example.demo.three.untils.forkjoin;


import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.stream.IntStream;

/** * @Author: CYM * @Description: RecursiveAction * @Data: 2017/10/12 23:08 */
public class ForkJoinRecursiveAction { 
   
    private static final AtomicInteger INTEGER = new AtomicInteger(0);//原子性

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        System.out.println(IntStream.rangeClosed(0, 100000).sum());//求和

        final ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        forkJoinPool.submit(new myRecursiveAction(0, 100000));//异步执行

        forkJoinPool.awaitTermination(1,TimeUnit.SECONDS);//等待1秒,等程序执行完毕
        System.out.println(INTEGER.get());

    }

    static class myRecursiveAction extends RecursiveAction {
        private final long MID = 10000;
        private final int start;
        private final int end;

        myRecursiveAction(int start, int end) {
            this.start = start;
            this.end = end;
        }

        @Override
        protected void compute() {
            if (end - start <= MID) {
                INTEGER.getAndAdd(IntStream.rangeClosed(start, end).sum());
            } else {
                int middle = Math.round((start + end) / 2);
                myRecursiveAction left = new myRecursiveAction(start, middle);
                myRecursiveAction right = new myRecursiveAction(middle + 1, end);
                left.fork();
                right.fork();
            }
        }
    }
}