Fork&Join框架介绍

一、概述

Fork/Join 是 JDK 1.7 加入的新的线程池实现，它体现的是一种分治思想，适用于能够进行任务拆分的CPU密集型运算。

• 所谓的任务拆分，是将一个大任务拆分为算法上相同的小任务，直至不能拆分可以直接求解。跟递归相关的一些计算，如归并排序、斐波那契数列、都可以用分治思想进行求解。
• Fork/Join 在分治的基础上加入了多线程，可以把每个任务的分解和合并交给不同的线程来完成，进一步提升了运算效率。
• Fork/Join 默认会创建与CPU核心数大小相同的线程池。

二、Fork/Join框架介绍

Fork/Join框架主要包含三个模块：

• 线程池：ForkJoinPool
• 任务对象: ForkJoinTask (包括RecursiveTask、RecursiveAction 和 CountedCompleter)
• 执行Fork/Join任务的线程: ForkJoinWorkerThread

三者的关系

ForkJoinPool可以通过池中的ForkJoinWorkerThread来处理ForkJoinTask任务。

ForkJoinPool 只接收 ForkJoinTask 任务(在实际使用中，也可以接收 Runnable/Callable 任务，但在真正运行时，也会把这些任务封装成 ForkJoinTask 类型的任务)，RecursiveTask 是 ForkJoinTask 的子类，是一个可以递归执行的 ForkJoinTask，RecursiveAction 是一个无返回值的 RecursiveTask，CountedCompleter 在任务完成执行后会触发执行一个自定义的钩子函数。

在实际运用中，我们一般都会继承 RecursiveTask 、RecursiveAction 或 CountedCompleter 来实现我们的业务需求，而不会直接继承 ForkJoinTask 类。

三、Fork/Join框架核心思想

3.1 分治思想(Divide-and-Conquer)

分治算法(Divide-and-Conquer)把任务递归的拆分为各个子任务，这样可以更好的利用系统资源，尽可能的使用所有可用的计算能力来提升应用性能。

首先看一下 Fork/Join 框架的任务运行机制如下图所示：

• **fork()**：开启一个新线程（或是重用线程池内的空闲线程），将任务交给该线程处理。
• **join()**：等待该任务的处理线程处理完毕，获得返回值。

当然并不会每个 fork 都会创建新线程， 也不是每个 join 都会造成线程被阻塞， 而是采取work-stealing 原理。

3.2 work-stealing(工作窃取)算法

线程池内的所有工作线程都尝试找到并执行已经提交的任务，或者是被其他活动任务创建的子任务(如果不存在就阻塞等待)。

这种特性使得 ForkJoinPool 在运行多个可以产生子任务的任务，或者是提交的许多小任务时效率更高。尤其是构建异步模型的 ForkJoinPool 时，对不需要合并(join)的事件类型任务也非常适用。

在 ForkJoinPool 中，线程池中每个工作线程(ForkJoinWorkerThread)都对应一个任务队列(WorkQueue)，工作线程优先处理来自自身队列的任务(LIFO或FIFO顺序，参数 mode 决定)，然后以FIFO的顺序随机窃取其他队列中的任务。

具体思路如下:

• 每个线程都有自己的一个WorkQueue，该工作队列是一个双端队列。
• 队列支持三个功能push、pop、poll
• push/pop只能被队列的所有者线程调用，而poll可以被其他线程调用。
• 划分的子任务调用fork时，都会被push到自己的队列中。
• 默认情况下，工作线程从自己的双端队列获取任务并执行。
• 当自己的队列为空时，线程随机从另一个线程的队列末尾调用poll方法窃取任务