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淺談Java Fork/Join并行框架

 更新時(shí)間:2017年09月30日 11:41:53   作者:一字馬胡  
這篇文章主要介紹了淺談Java Fork/Join并行框架,小編覺得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,也給大家做個(gè)參考。一起跟隨小編過來看看吧

初步了解Fork/Join框架

Fork/Join 框架是java7中加入的一個(gè)并行任務(wù)框架,可以將任務(wù)分割成足夠小的小任務(wù),然后讓不同的線程來做這些分割出來的小事情,然后完成之后再進(jìn)行join,將小任務(wù)的結(jié)果組裝成大任務(wù)的結(jié)果。下面的圖片展示了這種框架的工作模型:

使用Fork/Join并行框架的前提是我們的任務(wù)可以拆分成足夠小的任務(wù),而且可以根據(jù)小任務(wù)的結(jié)果來組裝出大任務(wù)的結(jié)果,一個(gè)最簡單的例子是使用Fork/Join框架來求一個(gè)數(shù)組中的最大/最小值,這個(gè)任務(wù)就可以拆成很多小任務(wù),大任務(wù)就是尋找一個(gè)大數(shù)組中的最大/最小值,我們可以將一個(gè)大數(shù)組拆成很多小數(shù)組,然后分別求解每個(gè)小數(shù)組中的最大/最小值,然后根據(jù)這些任務(wù)的結(jié)果組裝出最后的最大最小值,下面的代碼展示了如何通過Fork/Join求解數(shù)組的最大值:

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;

/**
* Created by hujian06 on 2017/9/28.
*
* fork/join demo
*/
public class ForkJoinDemo {

 /**
  * how to find the max number in array by Fork/Join
  */
 private static class MaxNumber extends RecursiveTask<Integer> {

   private int threshold = 2;

   private int[] array; // the data array

   private int index0 = 0;
   private int index1 = 0;

   public MaxNumber(int[] array, int index0, int index1) {
     this.array = array;
     this.index0 = index0;
     this.index1 = index1;
   }

   @Override
   protected Integer compute() {
     int max = Integer.MIN_VALUE;
     if ((index1 - index0) <= threshold) {

       for (int i = index0;i <= index1; i ++) {
         max = Math.max(max, array[i]);
       }

     } else {
       //fork/join
       int mid = index0 + (index1 - index0) / 2;
       MaxNumber lMax = new MaxNumber(array, index0, mid);
       MaxNumber rMax = new MaxNumber(array, mid + 1, index1);

       lMax.fork();
       rMax.fork();

       int lm = lMax.join();
       int rm = rMax.join();

       max = Math.max(lm, rm);

     }

     return max;
   }
 }

 public static void main(String ... args) throws ExecutionException, InterruptedException, TimeoutException {

   ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();

   int[] array = {100,400,200,90,80,300,600,10,20,-10,30,2000,1000};

   MaxNumber task = new MaxNumber(array, 0, array.length - 1);

   Future<Integer> future = pool.submit(task);

   System.out.println("Result:" + future.get(1, TimeUnit.SECONDS));

 }

}

可以通過設(shè)置不同的閾值來拆分成小任務(wù),閾值越小代表拆出來的小任務(wù)越多。

工作竊取算法

Fork/Join在實(shí)現(xiàn)上,大任務(wù)拆分出來的小任務(wù)會被分發(fā)到不同的隊(duì)列里面,每一個(gè)隊(duì)列都會用一個(gè)線程來消費(fèi),這是為了獲取任務(wù)時(shí)的多線程競爭,但是某些線程會提前消費(fèi)完自己的隊(duì)列。而有些線程沒有及時(shí)消費(fèi)完隊(duì)列,這個(gè)時(shí)候,完成了任務(wù)的線程就會去竊取那些沒有消費(fèi)完成的線程的任務(wù)隊(duì)列,為了減少線程競爭,F(xiàn)ork/Join使用雙端隊(duì)列來存取小任務(wù),分配給這個(gè)隊(duì)列的線程會一直從頭取得一個(gè)任務(wù)然后執(zhí)行,而竊取線程總是從隊(duì)列的尾端拉取task。

Frok/Join框架的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

在上面的示例代碼中,我們發(fā)現(xiàn)Fork/Join的任務(wù)是通過ForkJoinPool來執(zhí)行的,所以框架的一個(gè)核心是任務(wù)的fork和join,然后就是這個(gè)ForkJoinPool。關(guān)于任務(wù)的fork和join,我們可以想象,而且也是由我們的代碼自己控制的,所以要分析Fork/Join,那么ForkJoinPool最值得研究。

上面的圖片展示了ForkJoinPool的類關(guān)系圖,可以看到本質(zhì)上它就是一個(gè)Executor。在ForkJoinPool里面,有兩個(gè)特別重要的成員如下:

  volatile WorkQueue[] workQueues; 
  final ForkJoinWorkerThreadFactory factory;

workQueues 用于保存向ForkJoinPool提交的任務(wù),而具體的執(zhí)行有ForkJoinWorkerThread執(zhí)行,而ForkJoinWorkerThreadFactory可以用于生產(chǎn)出ForkJoinWorkerThread??梢钥匆恍〧orkJoinWorkerThread,可以發(fā)現(xiàn)每一個(gè)ForkJoinWorkerThread會有一個(gè)pool和一個(gè)workQueue,和我們上面描述的是一致的,每個(gè)線程都被分配了一個(gè)任務(wù)隊(duì)列,而執(zhí)行這個(gè)任務(wù)隊(duì)列的線程由pool提供。

下面我們看一下當(dāng)我們fork的時(shí)候發(fā)生了什么:

  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;
  }

看上面的fork代碼,可以看到首先取到了當(dāng)前線程,然后判斷是否是我們的ForkJoinPool專用線程,如果是,則強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換(向下轉(zhuǎn)換)成ForkJoinWorkerThread,然后將任務(wù)push到這個(gè)線程負(fù)責(zé)的隊(duì)列里面去。如果當(dāng)前線程不是ForkJoinWorkerThread類型的線程,那么就會走else之后的邏輯,大概的意思是首先嘗試將任務(wù)提交給當(dāng)前線程,如果不成功,則使用例外的處理方法,關(guān)于底層實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜,和我們使用Fork/Join關(guān)系也不太大,如果希望搞明白具體原理,可以看源碼。

下面看一下join的流程:

 public final V join() {
    int s;
    if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
      reportException(s);
    return getRawResult();
  }
  
    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;
  }
  
   /**
   * Implements execution conventions for RecursiveTask.
   */
  protected final boolean exec() {
    result = compute();
    return true;
  }

上面展示了主要的調(diào)用鏈路,我們發(fā)現(xiàn)最后落到了我們在代碼里編寫的compute方法,也就是執(zhí)行它,所以,我們需要知道的一點(diǎn)是,fork僅僅是分割任務(wù),只有當(dāng)我們執(zhí)行join的時(shí)候,我們的額任務(wù)才會被執(zhí)行。

如何使用Fork/Join并行框架

前文首先展示了一個(gè)求數(shù)組中最大值得例子,然后介紹了“工作竊取算法”,然后分析了Fork/Join框架的一些細(xì)節(jié),下面才是我們最關(guān)心的,怎么使用Fork/Join框架呢?

為了使用Fork/Join框架,我們只需要繼承類RecursiveTask或者RecursiveAction。前者適用于有返回值的場景,而后者適合于沒有返回值的場景。

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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