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进行并行处理，最后将子
任务结果合并成最后的计算结果，并进行输出。Fork/Join 框架要完成两件事
情：
Fork：把一个复杂任务进行分拆，大事化小 ：把一个复杂任务进行分拆，大事化小
Join：把分拆任务的结果进行合并

任务分割：首先 Fork/Join 框架需要把大的任务分割成足够小的子任务，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。子任务执行完的结果都放在另外一个队列里，
启动一个线程从队列里取数据，然后合并这些数据。
在 Java 的 Fork/Join 框架中，使用两个类完成上述操作
• ForkJoinTask:我们要使用 Fork/Join 框架，首先需要创建一个 ForkJoin 任务。
该类提供了在任务中执行 fork 和 join 的机制。通常情况下我们不需要直接集
成 ForkJoinTask 类，只需要继承它的子类，Fork/Join 框架提供了两个子类：
a.RecursiveAction：用于没有返回结果的任务
b.RecursiveTask:用于有返回结果的任务
• ForkJoinPool:ForkJoinTask 需要通过 ForkJoinPool 来执行
• RecursiveTask: 继承后可以实现递归(自己调自己)调用的任务
Fork/Join 框架的实现原理
ForkJoinPool 由 ForkJoinTask 数组和 ForkJoinWorkerThread 数组组成，
ForkJoinTask 数组负责将存放以及将程序提交给 ForkJoinPool，而
ForkJoinWorkerThread 负责执行这些任务。

Fork 方法

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;
}
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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。代
码如下：

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
		}
		else if (n >= m)
			growArray();
	}
}
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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。让我们一起看看
ForkJoinTask 的 join 方法的实现，代码如下：

public final V join() {
	int s;
	if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
		reportException(s);
	return getRawResult();
}
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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
让我们分析一下 doJoin 方法的实现

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();
}
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;
}
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在 doJoin()方法流程如下:

1. 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；
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，则设置任务状态为 NORMAL，如果出现异常，则记
   录异常，并将任务状态设置为 EXCEPTIONAL。

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。
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。

入门案例

场景: 生成一个计算任务，计算 1+2+3…+1000,每 100 个数切分一个
子任务

import java.util.concurrent.RecursiveTask;
/**
* 递归累加
*/
public class TaskExample extends RecursiveTask<Long> {
	private int start;
	private int end;
	private long sum;
	/**
	* 构造函数
	* @param start
	* @param end
	*/
	public TaskExample(int start, int end){
		this.start = start;
		this.end = end;
	}
	/**
	* The main computation performed by this task.
	*
	* @return the result of the computation
	*/
	@Override
	protected Long compute() {
		System.out.println("任务" + start + "=========" + end + "累加开始");
		//大于 100 个数相加切分,小于直接加
		if(end - start <= 100){
			for (int i = start; i <= end; i++) {
				//累加
				sum += i;
			}
		}else {
			//切分为 2 块
			int middle = start + 100;
			//递归调用,切分为 2 个小任务
			TaskExample taskExample1 = new TaskExample(start, middle);
			TaskExample taskExample2 = new TaskExample(middle + 1, end);
			//执行:异步
			taskExample1.fork();
			taskExample2.fork();
			//同步阻塞获取执行结果
			sum = taskExample1.join() + taskExample2.join();
		}
		//加完返回
		return sum;
	}
}

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import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.ForkJoinTask;
/**
* 分支合并案例
*/
public class ForkJoinPoolDemo {
	/**
	* 生成一个计算任务，计算 1+2+3.........+1000
	* @param args
	*/
	public static void main(String[] args) {
		//定义任务
		TaskExample taskExample = new TaskExample(1, 1000);
		//定义执行对象
		ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
		//加入任务执行
		ForkJoinTask<Long> result = forkJoinPool.submit(taskExample);
		//输出结果
		try {
			System.out.println(result.get());
		}catch (Exception e){
			e.printStackTrace();
		}finally {
			forkJoinPool.shutdown();
		}
	}
}
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