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# 一、什么是 Fork/Join框架

Fork/Join 框架是 Java7提供的一个用于并发执行任务的框架，是一个把大任务分割成若干个小任务，最终汇总每个小任务结果得到大任务结果的框架。我们通过 Fork和 Join这两个单词来理解一下 Fork/Join框架。Fork就是把一个大任务切分为若干子任务并行的执行，Join就是合并这些子任务的执行结果，最后得到一个大任务的结果。比如计算1~10000，可以分割成10个子任务，每个子任务分别对1000个数进行求和，最终汇总这10个子任务的结果。Fork/Join运行流程图如下：

Fork/Join/

# 二、工作窃取算法

工作窃取（work-stealing）算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。当我们讲一个任务分割成若干互不依赖的子任务，为了减少线程间竞争，把这些子任务分别放在不同的队列里，并为每个队列创建一个单独的线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应。比如A线程负责处理A队列里的任务，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未处理。干完活的线程与其等着，不如去帮其他线程干活，于是它就去其他线程的队列中窃取一个任务来执行。而在这时它们会访问同一个队列，所以为了减少窃取任务和被窃取任务线程之间的竞争，通常会使用双端队列，被窃取任务线程永远从双端队列的头部拿任务执行，而窃取任务的线程永远从双端队列的尾部拿取任务执行。

Fork/Join/ ​ **工作窃取算法的优点：** 充分利用线程进行并行计算，减少了线程间的竞争。 **工作窃取算法的缺点：** 在某些情况下还是存在竞争，比如双端队里里面只有一个任务时。并且该算法会消耗了更多的系统资源，比如创建多个线程和多个双端队列。

# 三、Fork/Join 框架的设计

Fork/Join框架的设计？

【步骤1】： 分割任务。首先我们需要一个fork类来把大任务分割成子任务，有可能子任务还是很大，所以还需要不停地分割，直到分割出的子任务足够小。

【步骤2】： 执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双方队列里。然后几个开启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统一放在一个队列里，开启一个线程从队列里拿数据，然后合并数据。

Fork使用两个类来完成以上两件事情。
 1）、ForkJoinTask：我们要使用Fork框架，必须首先创建一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行fork()和join()操作的机制。通常情况下，我么不需要直接继承ForkJoinTask类，只需要继承它的子类，Fork/Join框架提供了以下两个子类。
  ▶ RecursiveAction：用于没有返回结果的任务。
  ▶ RecursiveTask：用于有返回结果的任务。
 2）、ForkJoinPool：ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行。

任务分割出的子任务会添加到当前工作线程所维护的双端队列中，进入队列的头部。当一个工作线程的队列里暂时没有任务时，它会随机从其他工作线程的队列的尾部获取一个任务。

# 四、使用Fork/Join框架

让我们通过一个简单的需求来使用Frok/Join框架，需求是1+2+3+4的结果。使用Fork/Join框架首先要考虑到的是如何分割任务，如果希望每个子任务最多之多执行两个数相加，那么我们设置分割的阈值是2，由于是4个数字相加，所以Fork/Join框架会把这个任务fork成两个子任务，子任务一负责计算1+2，子任务二负责3+4，然后再join两个子任务的结果。因为是有结果的任务，所以必须继承RecursiveTask，实现代码如下：

package com.yintong.concurrent;

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

import javax.print.attribute.standard.MediaName;

public class CountTask extends RecursiveTask<Integer>{
    private static final int THRESHOLD = 2;  //阈值
    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;
        //如果任务足够小就计算任务
        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        if(canCompute) {
            for(int i=start ;i<= end; i++) {
                sum+=i;
            }
        }else {
            //如果任务大于阈值，就分裂成两个子任务计算
            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();
        //生成一个计算任务，负责计算1+2+3+4
        CountTask task = new CountTask(1, 4);
        //执行一个任务
        Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
        try {
            System.out.println(result.get());
        } catch (Exception e) {
        }
    }
}
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ForkJoinTask与一般任务的主要区别在于它需要实现compute方法，在这个方法里，首先需要判断任务是否足够小，如果足够小就直接执行任务。如果不足够小，就必须分割成两个子任务。每个子任务在调用fork时，又会进入compute方法，看看当前子任务是否需要继续分割成子任务，如果不需要继续分割，则执行当前子任务并返回结果。使用join方法会等待子任务执行完成并得到其结果。

# 五、Fork/Join框架的实现原理

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责将存放程序提交给ForkJoinPool的任务，而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。

1）、ForkJoinTask的fork方法时，程序会调用ForkJoinWorkerThread的push方法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;
}
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push方法把当前任务存放到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。

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();
    }
}
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2）、ForkJoinTask的join方法实现原理。
Join方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。下来看看ForkJoinTask的join方法的实现：

public final V join() {
    int s;
    if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
        reportException(s);
    return getRawResult();
}
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首先，它调用了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（NORMAL）、被取消（CANCELLED）、信号（SIGNAL）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CancellationException。
 ◀ 如果任务状态是抛出异常，则直接抛出对应的异常。

分析下doJoin()方法的实现代码：

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();
}
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在doJoin()方法里，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；如果没有执行完成，则从任务数组里取出任务并执行。如果任务顺利执行完成，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。 [点击并拖拽以移动] ​

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