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：

1 2	Fork: 把一个复杂任务进行拆分，大事化小 Join:把分拆任务的结果进行合并

1.任务风格：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

2.执行任务合并结果：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：我们使用Fork/Join框架，首先需要创建一个ForkJoin任务。该任务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继承ForkJoinTask类，只需要继承它的子嘞，Fork/Join框架提供了两个子类：

a.RecursiveAction:用于没有返回结果的任务

b.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

1	分支合并池类比=> 线程池

1	递归任务：继承后可以实现递归(自己调自己)调用的任务

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);
    else
        ForkJoinPool.common.externalPush(this);
    return this;
}

pushTask方法把当前任务放在ForkJoinTask数组队列里。然后再调用ForkjoinPool的singleWork()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();
    }
}

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。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（NOMAL）、被取消（CANCELLED）、信号（SINGAL）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CancellationExceptiom
如果任务是抛出异常，则直接抛出对应的异常

分析一下doJoin方法的实现

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();
}

final int doExec() {
        int s; boolean completed;
        if ((s = status) >= 0) {
            try {
                completed = exec();
            } catch (Throwable rex) {
                return setExceptionalCompletion(rex);
            }
            if (completed)
                s = setCompletion(NORMAL);
        }
        return s;
    }

在doJoin()方法流程如下：

1.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；

2.如果没有执行完，则从数组里取出任务并执行。

3.如果任务顺利完成，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==

public class ForkJoinPoolDemo {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {

        // 定义任务
        TaskExample taskExample = new TaskExample(1, 1000);
        // 定义执行对象
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        //
        ForkJoinTask<Integer> forkJoinTask = forkJoinPool.submit(taskExample);
        // 输出结果
        System.out.println(forkJoinTask.get());
        forkJoinPool.shutdown();


    }
}

class TaskExample extends RecursiveTask<Integer> {

    private int begin;

    private int end;

    private int result ;

    public TaskExample(int begin, int end) {
        this.begin = begin;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        // 计算每100个数的和,小于100相加
        if (end - begin <= 100) {
            for (int i= begin;i<= end;i++){
                result += i;
            }
        }else{
            // 切分成两块
            int middle = begin+100;
            TaskExample taskExample1 = new TaskExample(begin, middle);
            TaskExample taskExample2 = new TaskExample(middle + 1, end);
            // 执行异步 结果拆分
            taskExample1.fork();
            taskExample2.fork();
            // 同步阻塞获取执行结果 合并
            result = taskExample1.join()+taskExample2.join();

        }
        return result;
    }
}