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, 是一个把大任务分割成若干个小任务,最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架。
我们再通过Fork和Join这两个单词来理解下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+。。+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,最终汇总这10个子任务的结果。Fork/Join的运行流程图如下:
工作窃取算法
工作窃取(work-stealing)算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。工作窃取的运行流程图如下:
那么为什么需要使用工作窃取算法呢?假如我们需要做一个比较大的任务,我们可以把这个任务分割为若干互不依赖的子任务,为了减少线程间的竞争,于是把这些子任务分别放到不同的队列里,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,比如A线程负责处理A队列里的任务。但是有的线程会先把自己队列里的任务干完,而其他线程对应的队列里还有任务等待处理。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队列里窃取一个任务来执行。而在这时它们会访问同一个队列,所以为了减少窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争,通常会使用双端队列,被窃取任务线程永远从双端队列的头部拿任务执行,而窃取任务的线程永远从双端队列的尾部拿任务执行。
工作窃取算法的优点是充分利用线程进行并行计算,并减少了线程间的竞争,其缺点是在某些情况下还是存在竞争,比如双端队列里只有一个任务时。并且消耗了更多的系统资源,比如创建多个线程和多个双端队列。
Fork/Join框架的介绍
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,如果让我们来设计一个Fork/Join框架,该如何设计?这个思考有助于你理解Fork/Join框架的设计。
第一步分割任务。首先我们需要有一个fork类来把大任务分割成子任务,有可能子任务还是很大,所以还需要不停的分割,直到分割出的子任务足够小。
第二步执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列里,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,然后合并这些数据。
Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情:
ForkJoinTask:我们要使用ForkJoin框架,必须首先创建一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行fork()和join()操作的机制,通常情况下我们不需要直接继承ForkJoinTask类,而只需要继承它的子类,Fork/Join框架提供了以下两个子类:
- RecursiveAction:用于没有返回结果的任务。
- RecursiveTask :用于有返回结果的任务。
ForkJoinPool :ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行,任务分割出的子任务会添加到当前工作线程所维护的双端队列中,进入队列的头部。当一个工作线程的队列里暂时没有任务时,它会随机从其他工作线程的队列的尾部获取一个任务。
使用Fork/Join框架
让我们通过一个简单的需求来使用下Fork/Join框架,需求是:计算1+2+3+4的结果。
使用Fork/Join框架首先要考虑到的是如何分割任务,如果我们希望每个子任务最多执行两个数的相加,那么我们设置分割的阈值是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,子任务一负责计算1+2,子任务二负责计算3+4,然后再join两个子任务的结果。
因为是有结果的任务,所以必须继承RecursiveTask,实现代码如下:
packagefj; import java.util.concurrent.ExecutionException; import java.util.concurrent.ForkJoinPool; import java.util.concurrent.Future; import java.util.concurrent.RecursiveTask; public class CountTaskextendsRecursiveTask { private static final int THRESHOLD= 2;//阈值 private int start; private int end; public CountTask(intstart,intend) { this.start= start; this.end= end; } @Override protected Integer compute() { intsum = 0; //如果任务足够小就计算任务 booleancanCompute = (end-start) <=THRESHOLD; if(canCompute) { for(inti =start; i <=end; i++) { sum += i; } }else{ //如果任务大于阀值,就分裂成两个子任务计算 intmiddle = (start+end) / 2; CountTask leftTask =newCountTask(start, middle); CountTask rightTask =newCountTask(middle + 1,end); //执行子任务 leftTask.fork(); rightTask.fork(); //等待子任务执行完,并得到其结果 intleftResult=leftTask.join(); intrightResult=rightTask.join(); //合并子任务 sum = leftResult + rightResult; } returnsum; } public static void main(String[] args) { ForkJoinPool forkJoinPool =newForkJoinPool(); //生成一个计算任务,负责计算1+2+3+4 CountTask task =newCountTask(1, 4); //执行一个任务 Future result = forkJoinPool.submit(task); try{ System.out.println(result.get()); }catch(InterruptedException e) { }catch(ExecutionException e) { } } }
通过这个例子让我们再来进一步了解ForkJoinTask,ForkJoinTask与一般的任务的主要区别在于它需要实现compute方法,在这个方法里,首先需要判断任务是否足够小,如果足够小就直接执行任务。如果不足够小,就必须分割成两个子任务,每个子任务在调用fork方法时,又会进入compute方法,看看当前子任务是否需要继续分割成孙任务,如果不需要继续分割,则执行当前子任务并返回结果。使用join方法会等待子任务执行完并得到其结果。
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。
使用如下代码:
if(task.isCompletedAbnormally()) { System.out.println(task.getException()); }
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。
Fork/Join框架的实现原理
ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成,ForkJoinTask数组负责存放程序提交给ForkJoinPool的任务,而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。
ForkJoinTask的fork方法实现原理。当我们调用ForkJoinTask的fork方法时,程序会调用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法异步的执行这个任务,然后立即返回结果。代码如下:
public final ForkJoinTask fork() { ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()) .pushTask(this); return this; }
pushTask方法把当前任务存放在ForkJoinTask 数组queue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(); } }
ForkJoinTask的join方法实现原理。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,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; booleancompleted; if ((t = Thread.currentThread()) instanceofForkJoinWorkerThread) { 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。
Fork/Join源码剖析与算法解析
我们在大学算法课本上,学过的一种基本算法就是:分治。其基本思路就是:把一个大的任务分成若干个子任务,这些子任务分别计算,最后再Merge出最终结果。这个过程通常都会用到递归。
而Fork/Join其实就是一种利用多线程来实现“分治算法”的并行框架。
另外一方面,可以把Fori/Join看作一个单机版的Map/Reduce,只不过这里的并行不是多台机器并行计算,而是多个线程并行计算。
下面看2个简单例子:
例子1: 快排 我们都知道,快排有2个步骤: 第1步,拿数组的第1个元素,把元素划分成2半,左边的比该元素小,右边的比该元素大; 第2步,对左右的2个子数组,分别排序。
可以看出,这里左右2个子数组,可以相互独立的,并行计算。因此可以利用ForkJoin框架, 代码如下:
//定义一个Task,基础自RecursiveAction,实现其compute方法 class SortTask extends RecursiveAction { final long[] array; final int lo; final int hi; private int THRESHOLD = 0; //For demo only public SortTask(long[] array) { this.array = array; this.lo = 0; this.hi = array.length - 1; } public SortTask(long[] array, int lo, int hi) { this.array = array; this.lo = lo; this.hi = hi; } protected void compute() { if (hi - lo < THRESHOLD) sequentiallySort(array, lo, hi); else { int pivot = partition(array, lo, hi); //划分 coInvoke(new SortTask(array, lo, pivot - 1), new SortTask(array, pivot + 1, hi)); //递归调,左右2个子数组 } } private int partition(long[] array, int lo, int hi) { long x = array[hi]; int i = lo - 1; for (int j = lo; j < hi; j++) { if (array[j] <= x) { i++; swap(array, i, j); } } swap(array, i + 1, hi); return i + 1; } private void swap(long[] array, int i, int j) { if (i != j) { long temp = array[i]; array[i] = array[j]; array[j] = temp; } } private void sequentiallySort(long[] array, int lo, int hi) { Arrays.sort(array, lo, hi + 1); } } //测试函数 public void testSort() throws Exception { ForkJoinTask sort = new SortTask(array); //1个任务 ForkJoinPool fjpool = new ForkJoinPool(); //1个ForkJoinPool fjpool.submit(sort); //提交任务 fjpool.shutdown(); //结束。ForkJoinPool内部会开多个线程,并行上面的子任务 fjpool.awaitTermination(30, TimeUnit.SECONDS); }
例子2: 求1到n个数的和
//定义一个Task,基础自RecursiveTask,实现其commpute方法 public class SumTask extends RecursiveTask{ private static final int THRESHOLD = 10; private long start; private long end; public SumTask(long n) { this(1,n); } private SumTask(long start, long end) { this.start = start; this.end = end; } @Override //有返回值 protected Long compute() { long sum = 0; if((end - start) <= THRESHOLD){ for(long l = start; l <= end; l++){ sum += l; } }else{ long mid = (start + end) >>> 1; SumTask left = new SumTask(start, mid); //分治,递归 SumTask right = new SumTask(mid + 1, end); left.fork(); right.fork(); sum = left.join() + right.join(); } return sum; } private static final long serialVersionUID = 1L; } //测试函数 public void testSum() throws Exception { SumTask sum = new SumTask(100); //1个任务 ForkJoinPool fjpool = new ForkJoinPool(); //1个ForkJoinPool Future future = fjpool.submit(sum); //提交任务 Long r = future.get(); //获取返回值 fjpool.shutdown(); }
与ThreadPool的区别
通过上面例子,我们可以看出,它在使用上,和ThreadPool有共同的地方,也有区别点: (1) ThreadPool只有“外部任务”,也就是调用者放到队列里的任务。 ForkJoinPool有“外部任务”,还有“内部任务”,也就是任务自身在执行过程中,分裂出”子任务“,递归,再次放入队列。 (2)ForkJoinPool里面的任务通常有2类,RecusiveAction/RecusiveTask,这2个都是继承自FutureTask。在使用的时候,重写其compute算法。
工作窃取算法
上面提到,ForkJoinPool里有”外部任务“,也有“内部任务”。其中外部任务,是放在ForkJoinPool的全局队列里面,而每个Worker线程,也有一个自己的队列,用于存放内部任务。
窃取的基本思路就是:当worker自己的任务队列里面没有任务时,就去scan别的线程的队列,把别人的任务拿过来执行。
//ForkJoinPool的成员变量 ForkJoinWorkerThread[] workers; //worker thread集合 private ForkJoinTask>[] submissionQueue; //外部任务队列 private final ReentrantLock submissionLock; //ForkJoinWorkerThread的成员变量 ForkJoinTask>[] queue; //每个worker线程自己的内部任务队列 //提交任务 publicForkJoinTask submit(ForkJoinTask task) { if (task == null) throw new NullPointerException(); forkOrSubmit(task); return task; } private void forkOrSubmit(ForkJoinTask task) { ForkJoinWorkerThread w; Thread t = Thread.currentThread(); if (shutdown) throw new RejectedExecutionException(); if ((t instanceof ForkJoinWorkerThread) && //如果当前是worker线程提交的任务,也就是worker执行过程中,分裂出来的子任务,放入worker自己的内部任务队列 (w = (ForkJoinWorkerThread)t).pool == this) w.pushTask(task); else addSubmission(task); //外部任务,放入pool的全局队列 } //worker的run方法 public void run() { Throwable exception = null; try { onStart(); pool.work(this); } catch (Throwable ex) { exception = ex; } finally { onTermination(exception); } } final void work(ForkJoinWorkerThread w) { boolean swept = false; // true on empty scans long c; while (!w.terminate && (int)(c = ctl) >= 0) { int a; // active count if (!swept && (a = (int)(c >> AC_SHIFT)) <= 0) swept = scan(w, a); //核心代码都在这个scan函数里面 else if (tryAwaitWork(w, c)) swept = false; } } //scan的基本思路:从别人的任务队列里面抢,没有,再到pool的全局的任务队列里面去取。 private boolean scan(ForkJoinWorkerThread w, int a) { int g = scanGuard; int m = (parallelism == 1 - a && blockedCount == 0) ? 0 : g & SMASK; ForkJoinWorkerThread[] ws = workers; if (ws == null || ws.length <= m) // 过期检测 return false; for (int r = w.seed, k = r, j = -(m + m); j <= m + m; ++j) { ForkJoinTask> t; ForkJoinTask>[] q; int b, i; //随机选出一个牺牲者(工作线程)。 ForkJoinWorkerThread v = ws[k & m]; //一系列检查... if (v != null && (b = v.queueBase) != v.queueTop && (q = v.queue) != null && (i = (q.length - 1) & b) >= 0) { //如果这个牺牲者的任务队列中还有任务,尝试窃取这个任务。 long u = (i << ASHIFT) + ABASE; if ((t = q[i]) != null && v.queueBase == b && UNSAFE.compareAndSwapObject(q, u, t, null)) { //窃取成功后,调整queueBase int d = (v.queueBase = b + 1) - v.queueTop; //将牺牲者的stealHint设置为当前工作线程在pool中的下标。 v.stealHint = w.poolIndex; if (d != 0) signalWork(); // 如果牺牲者的任务队列还有任务,继续唤醒(或创建)线程。 w.execTask(t); //执行窃取的任务。 } //计算出下一个随机种子。 r ^= r << 13; r ^= r >>> 17; w.seed = r ^ (r << 5); return false; // 返回false,表示不是一个空扫描。 } //前2*m次,随机扫描。 else if (j < 0) { // xorshift r ^= r << 13; r ^= r >>> 17; k = r ^= r << 5; } //后2*m次,顺序扫描。 else ++k; } if (scanGuard != g) // staleness check return false; else { //如果扫描完毕后没找到可窃取的任务,那么从Pool的提交任务队列中取一个任务来执行。 ForkJoinTask> t; ForkJoinTask>[] q; int b, i; if ((b = queueBase) != queueTop && (q = submissionQueue) != null && (i = (q.length - 1) & b) >= 0) { long u = (i << ASHIFT) + ABASE; if ((t = q[i]) != null && queueBase == b && UNSAFE.compareAndSwapObject(q, u, t, null)) { queueBase = b + 1; w.execTask(t); } return false; } return true; // 如果所有的队列(工作线程的任务队列和pool的任务队列)都是空的,返回true。 } }
关于ForkJoinPool/FutureTask,本文只是分析了其基本使用原理。还有很多实现细节,留待读者自己去分析。
以上就是剖析Fork join并发框架工作窃取算法的详细内容,更多关于Fork join并发框架工作窃取算法的资料请关注脚本之家其它相关文章!