并发编程的艺术之读书笔记(十二)
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
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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