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并发编程的艺术之读书笔记(十二)

程序员文章站 2022-05-04 10:09:22
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前言:

上一部分,我们一起学习了java中的阻塞队列,这一部分,我们来学习Fork/Join框架

1. 什么是Fork/Join框架

java从1.7开始提供一个用于并行执行任务的框架,是一个把大任务分成若干个小任务,最后汇总小任务的结果得到大任务结果的框架。

我们通过Fork和Join这两个单词来简单理解一下Fork/Join框架。Fork就是把一个大任务切分为若干个任务并行的执行,Join就是合并这些子任务的执行结果,最后得到这个大任务的结果。比如计算1+2+3+...+10000,可以分割成10个子任务,每个子任务分别对1000个数进行求和,最后汇总这个10个子任务的结果,Fork/Join的运行流程图如下所示

并发编程的艺术之读书笔记(十二)

2. 工作窃取算法

工作窃取算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行,怎么理解这个工作窃取呢,比如说我们要做一个大任务,可以把这个任务分成若干个互不依赖的子任务,为了减少线程间竞争,把这些子任务放到不同的队列里,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。但是,有的线程会先把自己队列里的活干完,但是其他线程对应的队列里还有任务待处理,干完活的线程与其等待,不如去帮别的线程干活,于是它就去其他线程窃取一个任务来执行,在这时他们会访问同一个队列,为了减少线程间的竞争,往往会使用双端队列, 被窃取的任务线程永远从双端队列的头部取任务,窃取任务的线程永远从双端队列的尾部取任务执行。

工作窃取算法的优点:充分利用线程进行并行计算,减少了线程间竞争。

工作窃取算法的缺点:比如双端队列里只有一个任务时,还是会存在竞争。

3. Fork/Join框架的设计

那么Fork/Join框架是怎么设计的呢,首先是要分割任务,需要有一个fork类来把大任务分割成子任务,当然也有可能分出来的子任务还是很大,那么要分到子任务足够小为止。然后分割的子任务分别在双端队列里,然后几个启动线程同时从双端队列里获取任务执行。子任务执行完的结果统一放在一个队列里,启动一个线程从队列里拿数据,然后合并数据。

Fork/Join框架用两个类来完成以上的事情,1. ForkJoinTask,要使用ForkJoin框架,就要创建一个ForkJoin任务。通常情况下,我们只需要用到它的两个子类RecursiveAction(没有返回结果的任务)和RecursiveTask(有返回结果的任务)。2.ForkJoinPool,ForkJoinTask通过ForkJoinPool来执行。

4. 使用Fork/Join框架

下面来实现一个简单的需求来使用Fork/Join框架,需求就是1+2+3+4的结果。我们考虑把这个任务fork成两个任务,子任务一负责1+2,子任务2负责3+4,然后join两个任务的结果,因为是有结果的任务,所以必须继承RecursiveTask,代码如下

public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private static final int THRESHOLD = 2;//阈值
    private int start;
    private int end;

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

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
        //如果任务足够小就计算任务
        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        if (canCompute) {
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                sum += i;
            }
        } else {
            //如果任务大于阈值,就分成两个子任务计算
            int middle = (start + end) / 2;
            CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, end);
            CountTask leftTask = new CountTask(start, middle);
            //执行子任务
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();
            //子任务执行完,得到结果
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();
            sum = leftResult + rightResult;
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkJoinPool=new ForkJoinPool();
        CountTask task=new CountTask(1,4);
        //执行任务
        Future<Integer> result=forkJoinPool.submit(task);
        try {
            System.out.println(result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

5. Fork/Join框架异常处理

ForkJoinTask可能会抛出异常,但是我们没办法在主线程里捕获异常,所以ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法来检查任务是否已抛出异常或被取消了,可以通过ForkJoinTask的getException方法获取异常

6. Fork/Join框架的实现原理

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkWorkingThread数组组成,ForkJoinTask数组负责存放程序提交给ForkJoinPool的任务,ForkWorkingThread数组负责执行这些任务。

1. fork方法实现原理

public final ForkJoinTask<V> fork() {
	((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()).pushTask(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,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();
        }
    }

2. join方法实现原理

public final V join() {
        if (doJoin() != NORMAL)
            return reportResult();
        else
            return getRawResult();
}
private V reportResult() {
        int s; Throwable ex;
        if ((s = status) == CANCELLED)
            throw new CancellationException();
if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != null)
            UNSAFE.throwException(ex);
        return getRawResult();
}

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();
    }

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。

总结

这一部分Fork/Join框架我们就讲到这里,接下来我们将开始讲解java并发包中的原子类

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