Fork/Join 框架详解（基于 JDK 8）

摘要：框架使用的是工作窃取算法。由于此时它们访问同一个队列，为了减小竞争，通常会使用双端队列。方法返回对象，如果任务被取消了则返回，如果任务没有完成或者没有抛出异常则返回。

Fork 就是把一个大任务切分为若干个子任务并行地执行，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。Fork/Join 框架使用的是工作窃取算法。

工作窃取算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。对于一个比较大的任务，可以把它分割为若干个互不依赖的子任务，为了减少线程间的竞争，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多带带的线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应。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需要处理，于是它就去其他线程的队列里窃取一个任务来执行。由于此时它们访问同一个队列，为了减小竞争，通常会使用双端队列。被窃取任务的线程永远从双端队列的头部获取任务，窃取任务的线程永远从双端队列的尾部获取任务。

优点：充分利用线程进行并行计算，减少了线程间的竞争。
缺点：双端队列只存在一个任务时会导致竞争，会消耗更多的系统资源，因为需要创建多个线程和多个双端队列。

ForkJoinTask 在执行的时候可能抛出异常，但没有办法在主线程中直接捕获异常，所以 ForkJoinTask 提供了 isCompletedAbnormally() 方法检查任务是否已经抛出异常或已经被取消。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。

当调用 ForkJoinTask 的 fork() 方法时，程序会调用 ForkJoinPool.WorkQueue 的 push() 方法异步地执行这个任务，然后立即返回结果。代码如下：

public final ForkJoinTask fork() {
    Thread t;
    if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
        ((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
    else
        ForkJoinPool.common.externalPush(this);
    return this;
}

push() 方法把当前任务存放在一个 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 removed
        int m = a.length - 1;     // fenced write for task visibility
        U.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);
        }
        else if (n >= m)
            growArray();
    }
}

当调用 ForkJoinTask 的 join() 方法时，程序会调用 doJoin() 方法，通过 doJoin() 方法来判断返回什么结果

public final V join() {
    int s;
    if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
        reportException(s);
    return getRawResult();
}
private int doJoin() {
    int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;
    return (s = status) < 0 ? s :
        ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?
        (w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).
        tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s :
        wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :
        externalAwaitDone();
}
private void reportException(int s) {
    if (s == CANCELLED)
        throw new CancellationException();
    if (s == EXCEPTIONAL)
        rethrow(getThrowableException());
}
public abstract V getRawResult();

实例代码：

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

public class CountTask extends RecursiveTask {
    private static final int THRESHOLD = 2;
    private int start;
    private int end;

    public CountTask(int start, int end) {
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sum = 0;
        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        if (canCompute) { // 如果任务足够小，就计算任务
            for (int i = start; i <= end; i++) {
                sum += i;
            }
        } else { // 如果任务大于阈值，分裂成两个子任务执行
            int middle = (start + end) / 2;
            CountTask leftTask = new CountTask(start, middle);
            CountTask rightTask = new CountTask(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
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();

            // 合并子任务
            sum = leftResult + rightResult;
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        CountTask countTask = new CountTask(1, 100);
        peekNextLocalTask();
        Future result = forkJoinPool.submit(countTask);
        try {
            if (countTask.isCompletedAbnormally()) {
                System.out.println(countTask.getException());
            }
            System.out.println(result.get());
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

参考资料
Java 并发编程的艺术