併發編程之Master-Worker模式

我們知道，單個線程計算是串行的，只有等上一個任務結束之後，才能執行下一個任務，所以執行效率是比較低的。

那麼，如果用多線程執行任務，就可以在單位時間內執行更多的任務，而Master-Worker就是多線程並行計算的一種實現方式。

它的思想是，啓動兩個進程協同工作：Master和Worker進程。

Master負責任務的接收和分配，Worker負責具體的子任務執行。每個Worker執行完任務之後把結果返回給Master，最後由Master彙總結果。（其實也是一種分而治之的思想，和forkjoin計算框架有相似之處，參看：並行任務計算框架forkjoin）

Master-Worker工作示意圖如下：

file

下面用Master-Worker實現計算1-100的平方和，思路如下：

定義一個Task類用於存儲每個任務的數據。
Master生產固定個數的Worker，把所有worker存放在workers變量(map)中，Master需要存儲所有任務的隊列workqueue(ConcurrentLinkedQueue)和所有子任務返回的結果集resultMap(ConcurrentHashMap)。
每個Worker執行自己的子任務，然後把結果存放在resultMap中。
Master彙總resultMap中的數據，然後返回給Client客戶端。
爲了擴展Worker的功能，用一個MyWorker繼承Worker重寫任務處理的具體方法。
Task類：

package com.thread.masterworker;
public class Task {
private int id;
private String name;
private int num;

public int getId() {
    return id;
}

public void setId(int id) {
    this.id = id;
}

public String getName() {
    return name;
}

public void setName(String name) {
    this.name = name;
}

public int getNum() {
    return num;
}

public void setNum(int num) {
    this.num = num;
}

}
Master實現：

package com.thread.masterworker;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class Master {
//所有任務的隊列
private ConcurrentLinkedQueue workerQueue = new ConcurrentLinkedQueue();

//所有worker
private HashMap<String,Thread> workers = new HashMap<String,Thread>();

//共享變量，worker返回的結果
private ConcurrentHashMap<String,Object> resultMap = new ConcurrentHashMap<String,Object>();

//構造方法,初始化所有worker
public Master(Worker worker,int workerCount){
    worker.setWorkerQueue(this.workerQueue);
    worker.setResultMap(this.resultMap);

    for (int i = 0; i < workerCount; i++) {
        Thread t = new Thread(worker);
        this.workers.put("worker-"+i,t);
    }
}

//任務的提交
public void submit(Task task){
    this.workerQueue.add(task);
}

//執行任務
public int execute(){
    for (Map.Entry<String, Thread> entry : workers.entrySet()) {
        entry.getValue().start();
    }

    //一直循環，直到結果返回
    while (true){
        if(isComplete()){
            return getResult();
        }
    }

}

//判斷是否所有線程都已經執行完畢
public boolean isComplete(){
    for (Map.Entry<String, Thread> entry : workers.entrySet()) {
        //只要有任意一個線程沒有結束，就返回false
        if(entry.getValue().getState() != Thread.State.TERMINATED){
            return false;
        }
    }
    return true;
}

//處理結果集返回最終結果
public int getResult(){
    int res = 0;
    for (Map.Entry<String,Object> entry : resultMap.entrySet()) {
        res += (Integer) entry.getValue();
    }
    return res;
}

}
父類Worker：

package com.thread.masterworker;

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class Worker implements Runnable {

private ConcurrentLinkedQueue<Task> workerQueue;

private ConcurrentHashMap<String,Object> resultMap;

public void setWorkerQueue(ConcurrentLinkedQueue<Task> workerQueue) {
    this.workerQueue = workerQueue;
}

public void setResultMap(ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap) {
    this.resultMap = resultMap;
}

@Override
public void run() {
    while(true){
        //從任務隊列中取出一個任務
        Task task = workerQueue.poll();
        if(task == null) break;
        //處理具體的任務
        Object res = doTask(task);
        //把每次處理的結果放到結果集裏面，此處直接把num值作爲結果
        resultMap.put(String.valueOf(task.getId()),res);
    }

}

public Object doTask(Task task) {
    return null;
}

}
子類MyWorker繼承父類Worker，重寫doTask方法實現具體的邏輯：

package com.thread.masterworker;

public class MyWorker extends Worker {
@Override
public Object doTask(Task task) {
//暫停0.5秒，模擬任務處理
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//計算數字的平方
int num = task.getNum();
return num * num;
}
}
客戶端Client：

package com.thread.masterworker;

import java.util.Random;

public class Client {
public static void main(String[] args) {

    Master master = new Master(new MyWorker(), 10);

    //提交n個任務到任務隊列裏
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        Task task = new Task();
        task.setId(i);
        task.setName("任務"+i);
        task.setNum(i+1);
        master.submit(task);
    }

    //執行任務
    long start = System.currentTimeMillis();
    int res = master.execute();
    long time = System.currentTimeMillis() - start;
    System.out.println("結果:"+res+",耗時:"+time);
}

}
以上，我們用10個線程去執行子任務，最終由Master做計算求和（1-100的平方和）。每個線程暫停500ms，計算數字的平方值。

總共100個任務，分10個線程並行計算，相當於每個線程均分10個任務，一個任務的時間大概爲500ms，故10個任務爲5000ms，再加上計算平方值的時間，故稍大於5000ms。結果如下，

結果:338350,耗時:5084