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Fork/Join框架简介

2017-11-02 08:00 星期四 所属: JAVA 教程 浏览:49

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1. 什么是Fork/Join框架

Fork/Join框架是Java7提供了的一个用于并行执行任务的框架, 是一个把大任务支解成若干个小任务 ,最终汇总每个小任务功效后获得大任务功效的框架。

我们再通过Fork和Join这两个单词来领略下Fork/Join框架,Fork就是把一个大任务切分为若干子任务 并行的执行,Join就是归并这些子任务的执行功效,最后获得这个大任务的功效。好比计较1+2+。。+ 10000,可以支解成10个子任务,每个子任务别离对1000个数举办求和,最终汇总这10个子任务的功效。 Fork/Join的运行流程图如下:

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2. 事情窃取算法

事情窃取(work-stealing)算法是指某个线程从其他行列里窃取任务来执行。事情窃取的运行流程图 如下:

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那么为什么需要利用事情窃取算法呢?如果我们需要做一个较量大的任务,我们可以把这个任务支解 为若干互不依赖的子任务,为了淘汰线程间的竞争,于是把这些子任务别离放到差异的行列里,并为每个 行列建设一个单独的线程来执行行列里的任务,线程和行列一一对应,好比A线程认真处理惩罚A行列里的任务 。可是有的线程会先把本身行列里的任务干完,而其他线程对应的行列里尚有任务期待处理惩罚。干完活的线 程与其等着,不如去帮其他线程干活,于是它就去其他线程的行列里窃取一个任务来执行。而在这时它们 会会见同一个行列,所觉得了淘汰窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争,凡是会利用双端行列,被 窃取任务线程永远从双端行列的头部拿任务执行,而窃取任务的线程永远从双端行列的尾部拿任务执行。

事情窃取算法的利益是充实操作线程举办并行计较,并淘汰了线程间的竞争,其缺点是在某些环境下 照旧存在竞争,好比双端行列里只有一个任务时。而且耗损了更多的系统资源,好比建设多个线程和多个 双端行列。


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3. Fork/Join框架的先容

我们已经很清楚Fork/Join框架的需求了,那么我们可以思考一下,假如让我们来设计一个Fork/Join 框架,该如何设计?这个思考有助于你领略Fork/Join框架的设计。

第一步支解任务。首先我们需要有一个fork类来把大任务支解成子任务,有大概子任务照旧很大,所 以还需要不断的支解,直到支解出的子任务足够小。

第二步执行任务并归并功效。支解的子任务别离放在双端行列里,然后几个启动线程别离从双端行列 里获取任务执行。子任务执行完的功效都统一放在一个行列里,启动一个线程从行列里拿数据,然后归并 这些数据。

Fork/Join利用两个类来完成以上两件工作:

ForkJoinTask:我们要利用ForkJoin框架,必需首先建设一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行 fork()和join()操纵的机制,凡是环境下我们不需要直接担任ForkJoinTask类,而只需要担任它的子类, Fork/Join框架提供了以下两个子类:    

RecursiveAction:用于没有返回功效的任务。

RecursiveTask :用于有返回功效的任务。

ForkJoinPool :ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行,任务支解出的子任务会添加到当前事情 线程所维护的双端行列中,进入行列的头部。当一个事情线程的行列里临时没有任务时,它会随机从其他 事情线程的行列的尾部获取一个任务。

4. 利用Fork/Join框架

让我们通过一个简朴的需求来利用下Fork/Join框架,需求是:计较1+2+3+4的功效。

利用Fork/Join框架首先要思量到的是如何支解任务,假如我们但愿每个子任务最多执行两个数的相 加,那么我们配置支解的阈值是2,由于是4个数字相加,所以Fork/Join框架会把这个任务fork成两个子 任务,子任务一认真计较1+2,子任务二认真计较3+4,然后再join两个子任务的功效。

因为是有功效的任务,所以必需担任RecursiveTask,实现代码如下:

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通过这个例子让我们再来进一步相识ForkJoinTask,ForkJoinTask与一般的任务的主要区别在于它需 要实现compute要领,在这个要领里,首先需要判定任务是否足够小,假如足够小就直接执行任务。假如 不敷够小,就必需支解成两个子任务,每个子任务在挪用fork要领时,又会进入compute要领,看看当前 子任务是否需要继承支解成孙任务,假如不需要继承支解,则执行当前子任务并返回功效。利用join要领 会期待子任务执行完并获得其功效。

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5. Fork/Join框架的异常处理惩罚

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ForkJoinTask在执行的时候大概会抛出异常,可是我们没步伐在主线程里直接捕捉异常,所以 ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()要领来查抄任务是否已经抛出异常或已经被打消了,而且 可以通过ForkJoinTask的getException要领获取异常。利用如下代码:

if(task.isCompletedAbnormally())
{
    System.out.println(task.getException());
}
  

getException要领返回Throwable工具,假如任务被打消了则返回CancellationException。假如任务 没有完成可能没有抛出异常则返回null。

6. Fork/Join框架的实现道理

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组构成,ForkJoinTask数组认真存放程 序提交给ForkJoinPool的任务,而ForkJoinWorkerThread数组认真执行这些任务。

ForkJoinTask的fork要领实现道理。当我们挪用ForkJoinTask的fork要领时,措施会挪用 ForkJoinWorkerThread的pushTask要领异步的执行这个任务,然后当即返回功效。代码如下:

public final ForkJoinTask fork() {         

((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())             

.pushTask(this);         return this; } 

pushTask要领把当前任务存放在ForkJoinTask 数组queue里。然后再挪用ForkJoinPool的signalWork ()要领叫醒或建设一个事情线程来执行任务。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();
        }
    }
  

ForkJoinTask的join要领实现道理。Join要领的主要浸染是阻塞当前线程并期待获取功效。让我们一 起看看ForkJoinTask的join要领的实现,代码如下:

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,它挪用了doJoin()要领,通过doJoin()要领获得当前任务的状态来判定返回什么功效,任务状 态有四种:已完成(NORMAL),被打消(CANCELLED),信号(SIGNAL)和呈现异常(EXCEPTIONAL)。

假如任务状态是已完成,则直接返回任务功效。

假如任务状态是被打消,则直接抛出CancellationException。

假如任务状态是抛出异常,则直接抛出对应的异常。

让我们再来阐明下doJoin()要领的实现代码:

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()要领里,首先通过查察任务的状态,看任务是否已经执行完了,假如执行完了,则直接返 回任务状态,假如没有执行完,则从任务数组里取出任务并执行。假如任务顺利执行完成了,则配置任务 状态为NORMAL,假如呈现异常,则记载异常,并将任务状态配置为EXCEPTIONAL。

 

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