Fork/Join（拆分任务）

拆分任务-Fork/Join

理论

（1）介绍

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 Join：把分拆任务的结果进行合并

1. 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。

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

（2）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。

（3）fork()与join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;
}

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。

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();
}
}

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

public final V join() {
int s;
if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
reportException(s);
return getRawResult();
}

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 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;
}

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。

（4）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。

应用

class MyTask extends RecursiveTask<Integer> {

    //拆分差值不能超过10，计算10以内运算
    private static final Integer VALUE = 10;
    private int begin ;//拆分开始值
    private int end;//拆分结束值
    private int result ; //返回结果

    //创建有参数构造
    public MyTask(int begin,int end) {
        this.begin = begin;
        this.end = end;
    }

    //拆分和合并过程
    @Override
    protected Integer compute() {
        //判断相加两个数值是否大于10
        if((end-begin)<=VALUE) {
            //相加操作
            for (int i = begin; i <=end; i++) {
                result = result+i;
            }
        } else {//进一步拆分
            //获取中间值
            int middle = (begin+end)/2;
            //拆分左边
            MyTask task01 = new MyTask(begin,middle);
            //拆分右边
            MyTask task02 = new MyTask(middle+1,end);
            //调用方法拆分
            task01.fork();
            task02.fork();
            //合并结果
            result = task01.join()+task02.join();
        }
        return result;
    }
}

public class ForkJoinDemo {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //创建MyTask对象
        MyTask myTask = new MyTask(0,100);
        //创建分支合并池对象
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        //创建合并池对象任务
        ForkJoinTask<Integer> forkJoinTask = forkJoinPool.submit(myTask);
        //获取最终合并之后结果
        Integer result = forkJoinTask.get();
        System.out.println(result);
        //关闭池对象
        forkJoinPool.shutdown();
    }
}