Forkjoin框架原理解析

聲明：本篇博客是在閱讀了引用博客的兩篇文章後做了簡短的概括與歸納，只作爲自己筆記

一、思想

Fork/Join是Java7提供的並行執行任務的框架，是一個把大人物分割成若干小任務，最終彙總小任務的結果得到大任務結果的框架

小任務可以繼續拆分爲更小的任務

二、工作竊取算法

1、工作竊取會選擇雙端隊列作爲存儲任務的數據結構，默認正常線程會選擇LIFO（棧獲取）的方式，從當前雙端隊列的尾部獲取任務；竊取線程會選擇FIFO（隊列獲取）方式，從當前雙端隊列的頭部獲取任務

默認添加元素是從雙端隊列的尾部添加元素

三、demo用例

通過Fork/Join並行計算1+2+3+4

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;

public class ForkjoinDemo extends RecursiveTask<Long> {
	private long start;
	private long end;
	public static final int THRESHOLD = 2;

	public ForkjoinDemo(long start, long end) {
		this.start = start;
		this.end = end;
	}

	@Override
	protected Long compute() {
		long sum = 0;
		boolean flag = (end - start) <= THRESHOLD;
		if (flag) {
			for (long i = start; i <= end; i++) {
				sum += i;
			}
		} else {
			long middle = (end + start) / 2;
			// divide task
			ForkjoinDemo leftTask = new ForkjoinDemo(start, middle);
			ForkjoinDemo rightTask = new ForkjoinDemo(middle+1 , end);
			// execute sub task
			leftTask.fork();
			rightTask.fork();
			// get result sub task
			long left = leftTask.join();
			long right = rightTask.join();
			sum = left + right;
		}
		return sum;
	}

	public static void main(String[] args) {
		ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
		ForkjoinDemo task = new ForkjoinDemo(1, 4);
		Future<Long> result = pool.submit(task);
		try {
			System.out.println(result.get());
		} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
	}

}

四、關鍵組件

ForkJoinPool

（一）線程池的作用可能是用來合理分配線程資源：
1、接受外部任務的提交（外部調用ForkJoinPool的invoke/execute/submit方法提交任務）；
2、接受ForkJoinTask自身fork出的子任務的提交；
3、任務隊列數組（WorkQueue[]）的初始化和管理；
4、工作線程（Worker）的創建/管理
（二）提交方式的差異：
invoke:同步提交，有返回值，任務執行完成後返回
submit：異步提交，有返回值，調用線程立即返回
execute：異步提交，無返回值，調用線程立即返回
（三）初始化線程池方式
1、FIFO_QUEUE:先進先出，異步模式
2、LIFO_QUEUE：（默認）先進後出，同步模式

ForkJoinTask

（一）子類
1、RecursiveAction:用於沒有返回結果的任務
2、RecursiveTask:用於有返回結果的任務
（二）函數
1、fork()拆分爲子任務
2、join()合併子任務

ForkJoinWorkerThread

任務處理原則：首先根據同步/異步模式從任務隊列選擇任務，如果完成自身任務，通過竊取算法獲取其他線程的任務

WorkQueue

底層是通過數組實現的雙端隊列，容量爲2的冪次，任務隊列在首次調用線程池外部方法提交任務之後初始化任務隊列，通過ThreadLocalRandom.probe來計算出任務隊列在數組中的索引位置（外部方法調用產生的索引一定是偶數），沒有綁定工作線程

1、有工作線程（Worker）綁定的任務隊列：數組下標始終是奇數，稱爲task queue，該隊列中的任務均由工作線程調用產生（工作線程調用FutureTask.fork方法）；
2、沒有工作線程（Worker）綁定的任務隊列：數組下標始終是偶數，稱爲submissions queue，該隊列中的任務全部由其它線程提交（也就是非工作線程調用execute/submit/invoke或者FutureTask.fork方法）。

五、Fork/Join運行流程圖

任務提交

（一）外部提交任務
1、提交任務命中，externalPush
2、提交任務未命中，externalSubmit
CASE1：線程池已經關閉，則執行終止操作，並拒絕該任務的提交；
CASE2：線程池未初始化，則進行初始化，主要就是初始化任務隊列數組；
CASE3：命中了任務隊列，則將任務入隊，並嘗試創建/喚醒一個工作線程（Worker）；
CASE4：未命中任務隊列，則在偶數索引處創建一個任務隊列
（二）工作線程fork任務:直接push進當前任務隊列

創建線程signalWork方法

1、工作線程數不足：
創建一個工作線程：
（1）通過createWorker方法通過線程池工廠創建線程，在線程創建的過程中，registerWorker會創建一個工作隊列與工作線程綁定，創建成功，則start線程；
（2）創建失敗：則deregisterWorker註銷該工作線程，清除已關閉的工作線程或回滾創建線程之前的操作，並把傳入的異常拋給 ForkJoinTask 來處理。
2、工作線程數足夠：喚醒一個空閒（阻塞）的工作線程。

任務執行

1、runWorker執行任務
（1）scan()竊取任務：隨機選擇一個任務隊列，獲取底部任務，任務數大於1，則signalWork創建或喚醒其他工作線程。
（2）成功竊取runTask：
         a.執行竊取任務：調用FutureTask.deExec()執行任務，其內部會調用FutureTask.exec()方法，該方法爲抽象方法，由子類實現。
         b.工作線程還會執行自己隊列中的任務，即WorkQueue.execLocalTasks
（3）未成功竊取awaitWork：沒有任務則阻塞

六、引用博客

極力推薦併發系列博客：https://segmentfault.com/a/1190000016781127