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Java——JUC高并发编程 面试必问( Fork/Join )

时间:2019-10-31 22:39:55

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Java——JUC高并发编程 面试必问( Fork/Join )

11 Fork/Join

11.1 Fork/Join 框架简介

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 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。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。

在 Java 的 Fork/Join 框架中,使用两个类完成上述操作。

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:

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。

RecursiveTask: 继承后可以实现递归(自己调自己)调用的任务。

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。

11.2 Fork 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);mon.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。代码如下:

final void push(ForkJoinTask<?> task) {ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;int b = base, s = top, n;if ((a = array) != null) { // ignore if queue removedint m = a.length - 1; // fenced write for task visibilityU.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();}}

11.3 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,代码如下:

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

在 doJoin()方法流程如下:

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;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,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。

11.4 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。

11.5 入门案例

场景: 生成一个计算任务,计算 1+2+3…+1000,每 100 个数切分一个子任务

import java.util.concurrent.RecursiveTask;/*** 递归累加*/public class TaskExample extends RecursiveTask<Long> {private int start;private int end;private long sum;public TaskExample(int start, int end){this.start = start;this.end = end;}protected Long compute() {System.out.println("任务" + start + "=========" + end + "累加开始");//大于 100 个数相加切分,小于直接加if(end - start <= 100){for (int i = start; i <= end; i++) {//累加sum += i;}}else {//切分为 2 块int middle = start + 100;//递归调用,切分为 2 个小任务TaskExample taskExample1 = new TaskExample(start, middle);TaskExample taskExample2 = new TaskExample(middle + 1, end);//执行:异步taskExample1.fork();taskExample2.fork();//同步阻塞获取执行结果sum = taskExample1.join() + taskExample2.join();}//加完返回return sum;}}import java.util.concurrent.ForkJoinPool;import java.util.concurrent.ForkJoinTask;/*** 分支合并案例*/public class ForkJoinPoolDemo {/*** 生成一个计算任务,计算 1+2+3.........+1000* @param args*/public static void main(String[] args) {//定义任务TaskExample taskExample = new TaskExample(1, 1000);//定义执行对象ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();//加入任务执行ForkJoinTask<Long> result = forkJoinPool.submit(taskExample);//输出结果try {System.out.println(result.get());}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {forkJoinPool.shutdown();}}}

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