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Fork join并发框架工作窃取算法

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什么是Fork/Join框架

Fork/Join框架是Java7提供了的一个用于并行执行任务的框架, 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后得到大任务结果的框架。

我们再通过Fork和Join这两个单词来理解下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,最后得到这个大任务的结果。比如计算1+2+。。+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的运行流程图如下:

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。工作窃取的运行流程图如下:

那么为什么需要使用工作窃取算法呢?假如我们需要做一个比较大的任务,我们可以把这个任务分割为若干互不依赖的子任务,为了减少线程间的竞争,于是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等待处理。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里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线程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任务执行。

工作窃取算法的优点是充分利用线程进行并行计算,并减少了线程间的竞争,其缺点是在某些情况下还是存在竞争,比如双端队列里只有一个任务时。并且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。

Fork/Join框架的介绍

我们已经很清楚Fork/Join框架的需求了,那么我们可以思考一下,如果让我们来设计一个Fork/Join框架,该如何设计?这个思考有助于你理解Fork/Join框架的设计。

第一步分割任务。首先我们需要有一个fork类来把大任务分割成子任务,有可能子任务还是很大,所以还需要不停的分割,直到分割出的子任务足够小。

第二步执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列里,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统一放在一个队列里,启动一个线程从队列里拿数据,然后合并这些数据。

Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情:

ForkJoinTask:我们要使用ForkJoin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,通常情况下我们不需要直接继承ForkJoinTask类,而只需要继承它的子类,Fork/Join框架提供了以下两个子类:

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。

使用Fork/Join框架

让我们通过一个简单的需求来使用下Fork/Join框架,需求是:计算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,如果我们希望每个子任务最多执行两个数的相加,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,子任务二负责计算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:

packagefj;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
public class CountTaskextendsRecursiveTask {
       private static final int THRESHOLD= 2;//阈值
       private int start;
       private int end;
       public CountTask(intstart,intend) {
                   this.start= start;
                   this.end= end;
        }
       @Override
       protected Integer compute() {
                   intsum = 0;
                   //如果任务足够小就计算任务
                   booleancanCompute = (end-start) <=THRESHOLD;
                   if(canCompute) {
                              for(inti =start; i <=end; i++) {
                                           sum += i;
                               }
                    }else{
                              //如果任务大于阀值,就分裂成两个子任务计算
                              intmiddle = (start+end) / 2;
                               CountTask leftTask =newCountTask(start, middle);
                               CountTask rightTask =newCountTask(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
                              intleftResult=leftTask.join();
                              intrightResult=rightTask.join();
                              //合并子任务
                               sum = leftResult  + rightResult;
                    }
                   returnsum;
        }
       public static void main(String[] args) {
                    ForkJoinPool forkJoinPool =newForkJoinPool();
                   //生成一个计算任务,负责计算1+2+3+4
                    CountTask task =newCountTask(1, 4);
                   //执行一个任务
                    Future result = forkJoinPool.submit(task);
                   try{
                               System.out.println(result.get());
                    }catch(InterruptedException e) {
                    }catch(ExecutionException e) {
                    }
        }
}

通过这个例子让我们再来进一步了解ForkJoinTask,ForkJoinTask与一般的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方法时,又会进入compute方法,看看当前子任务是否需要继续分割成孙任务,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并得到其结果。

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。

使用如下代码:

if(task.isCompletedAbnormally())
{
System.out.println(task.getException());
}

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。

Fork/Join框架的实现原理

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

ForkJoinTask的fork方法实现原理。当我们调用ForkJoinTask的fork方法时,程序会调用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法异步的执行这个任务,然后立即返回结果。代码如下:

  public final ForkJoinTask fork() {
          ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread())
              .pushTask(this);
          return this;
  }

pushTask方法把当前任务存放在ForkJoinTask 数组queue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 pushTask(ForkJoinTask t) {
          ForkJoinTask[] q; int s, m;
          if ((q = queue) != null) {    // ignore if queue removed
              long u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1)) << ASHIFT) + ABASE;
              UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t);
              queueTop = s + 1;         // or use putOrderedInt
              if ((s -= queueBase) <= 2)
                  pool.signalWork();
      else if (s == m)
                  growQueue();
          }
      }

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。让我们一起看看ForkJoinTask的join方法的实现,代码如下:

public final V join() {
          if (doJoin() != NORMAL)
              return reportResult();
          else
              return getRawResult();
  }
  private V reportResult() {
          int s; Throwable ex;
          if ((s = status) == CANCELLED)
              throw new CancellationException();
  if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != null)
              UNSAFE.throwException(ex);
          return getRawResult();
  }

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,任务状态有四种:已完成(NORMAL),被取消(CANCELLED),信号(SIGNAL)和出现异常(EXCEPTIONAL)。

让我们再来分析下doJoin()方法的实现代码:

private int doJoin() { 
    Thread t; 
    ForkJoinWorkerThread w;
    int s; 
    booleancompleted; 
    if ((t = Thread.currentThread()) instanceofForkJoinWorkerThread) {
    if ((s = status) < 0) 
    return s; 
    if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) {
        try { 
         completed = exec();
     }
        catch (Throwable rex) { 
            return setExceptionalCompletion(rex); 
        } 
            if (completed) 
            return setCompletion(NORMAL);
            } 
        return w.joinTask(this); 
    } 
           else 
   return externalAwaitDone(); 
   }

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了,如果执行完了,则直接返回任务状态,如果没有执行完,则从任务数组里取出任务并执行。如果任务顺利执行完成了,则设置任务状态为NORMAL,如果出现异常,则纪录异常,并将任务状态设置为EXCEPTIONAL。

Fork/Join源码剖析与算法解析

我们在大学算法课本上,学过的一种基本算法就是:分治。其基本思路就是:把一个大的任务分成若干个子任务,这些子任务分别计算,最后再Merge出最终结果。这个过程通常都会用到递归。

而Fork/Join其实就是一种利用多线程来实现“分治算法”的并行框架。

另外一方面,可以把Fori/Join看作一个单机版的Map/Reduce,只不过这里的并行不是多台机器并行计算,而是多个线程并行计算。

下面看2个简单例子:

例子1: 快排 我们都知道,快排有2个步骤: 第1步,拿数组的第1个元素,把元素划分成2半,左边的比该元素小,右边的比该元素大; 第2步,对左右的2个子数组,分别排序。

可以看出,这里左右2个子数组,可以相互独立的,并行计算。因此可以利用ForkJoin框架, 代码如下:

//定义一个Task,基础自RecursiveAction,实现其compute方法
class SortTask extends RecursiveAction {
    final long[] array;
    final int lo;
    final int hi;
    private int THRESHOLD = 0; //For demo only
    public SortTask(long[] array) {
        this.array = array;
        this.lo = 0;
        this.hi = array.length - 1;
    }
    public SortTask(long[] array, int lo, int hi) {
        this.array = array;
        this.lo = lo;
        this.hi = hi;
    }
    protected void compute() {
        if (hi - lo < THRESHOLD)
            sequentiallySort(array, lo, hi);
        else {
            int pivot = partition(array, lo, hi);  //划分
            coInvoke(new SortTask(array, lo, pivot - 1), new SortTask(array,
                    pivot + 1, hi));  //递归调,左右2个子数组
        }
    }
    private int partition(long[] array, int lo, int hi) {
        long x = array[hi];
        int i = lo - 1;
        for (int j = lo; j < hi; j++) {
            if (array[j] <= x) {
                i++;
                swap(array, i, j);
            }
        }
        swap(array, i + 1, hi);
        return i + 1;
    }
    private void swap(long[] array, int i, int j) {
        if (i != j) {
            long temp = array[i];
            array[i] = array[j];
            array[j] = temp;
        }
    }
    private void sequentiallySort(long[] array, int lo, int hi) {
        Arrays.sort(array, lo, hi + 1);
    }
}
//测试函数
    public void testSort() throws Exception {
        ForkJoinTask sort = new SortTask(array);   //1个任务
        ForkJoinPool fjpool = new ForkJoinPool();  //1个ForkJoinPool
        fjpool.submit(sort); //提交任务
        fjpool.shutdown(); //结束。ForkJoinPool内部会开多个线程,并行上面的子任务
        fjpool.awaitTermination(30, TimeUnit.SECONDS);
    }

例子2: 求1到n个数的和

//定义一个Task,基础自RecursiveTask,实现其commpute方法
public class SumTask extends RecursiveTask<Long>{  
    private static final int THRESHOLD = 10;  
    private long start;  
    private long end;  
    public SumTask(long n) {  
        this(1,n);  
    }  
    private SumTask(long start, long end) {  
        this.start = start;  
        this.end = end;  
    }  
    @Override  //有返回值
    protected Long compute() {  
        long sum = 0;  
        if((end - start) <= THRESHOLD){  
            for(long l = start; l <= end; l++){  
                sum += l;  
            }  
        }else{  
            long mid = (start + end) >>> 1;  
            SumTask left = new SumTask(start, mid);   //分治,递归
            SumTask right = new SumTask(mid + 1, end);  
            left.fork();  
            right.fork();  
            sum = left.join() + right.join();  
        }  
        return sum;  
    }  
    private static final long serialVersionUID = 1L;  
}  
//测试函数
    public void testSum() throws Exception {
        SumTask sum = new SumTask(100);   //1个任务
        ForkJoinPool fjpool = new ForkJoinPool();  //1个ForkJoinPool
        Future<Long> future = fjpool.submit(sum); //提交任务
        Long r = future.get(); //获取返回值
        fjpool.shutdown(); 
    }

与ThreadPool的区别

通过上面例子,我们可以看出,它在使用上,和ThreadPool有共同的地方,也有区别点: (1) ThreadPool只有“外部任务”,也就是调用者放到队列里的任务。 ForkJoinPool有“外部任务”,还有“内部任务”,也就是任务自身在执行过程中,分裂出”子任务“,递归,再次放入队列。 (2)ForkJoinPool里面的任务通常有2类,RecusiveAction/RecusiveTask,这2个都是继承自FutureTask。在使用的时候,重写其compute算法。

工作窃取算法

上面提到,ForkJoinPool里有”外部任务“,也有“内部任务”。其中外部任务,是放在ForkJoinPool的全局队列里面,而每个Worker线程,也有一个自己的队列,用于存放内部任务。

窃取的基本思路就是:当worker自己的任务队列里面没有任务时,就去scan别的线程的队列,把别人的任务拿过来执行。

//ForkJoinPool的成员变量
ForkJoinWorkerThread[] workers;  //worker thread集合
private ForkJoinTask<?>[] submissionQueue; //外部任务队列
private final ReentrantLock submissionLock; 
//ForkJoinWorkerThread的成员变量
ForkJoinTask<?>[] queue;   //每个worker线程自己的内部任务队列
//提交任务
public <T> ForkJoinTask<T> submit(ForkJoinTask<T> task) {  
    if (task == null)  
        throw new NullPointerException();  
    forkOrSubmit(task);  
    return task;  
} 
private <T> void forkOrSubmit(ForkJoinTask<T> task) {  
    ForkJoinWorkerThread w;  
    Thread t = Thread.currentThread();  
    if (shutdown)  
        throw new RejectedExecutionException();  
    if ((t instanceof ForkJoinWorkerThread) &&   //如果当前是worker线程提交的任务,也就是worker执行过程中,分裂出来的子任务,放入worker自己的内部任务队列
        (w = (ForkJoinWorkerThread)t).pool == this)  
        w.pushTask(task);  
    else  
        addSubmission(task);  //外部任务,放入pool的全局队列
}   
//worker的run方法
public void run() {  
    Throwable exception = null;  
    try {  
        onStart();  
        pool.work(this);  
    } catch (Throwable ex) {  
        exception = ex;  
    } finally {  
        onTermination(exception);  
    }  
}  
final void work(ForkJoinWorkerThread w) {  
    boolean swept = false;                // true on empty scans  
    long c;  
    while (!w.terminate && (int)(c = ctl) >= 0) {  
        int a;                            // active count  
        if (!swept && (a = (int)(c >> AC_SHIFT)) <= 0)  
            swept = scan(w, a);   //核心代码都在这个scan函数里面
        else if (tryAwaitWork(w, c))  
            swept = false;  
    }  
}  
//scan的基本思路:从别人的任务队列里面抢,没有,再到pool的全局的任务队列里面去取。
private boolean scan(ForkJoinWorkerThread w, int a) {  
    int g = scanGuard;   
    int m = (parallelism == 1 - a && blockedCount == 0) ? 0 : g & SMASK;  
    ForkJoinWorkerThread[] ws = workers;  
    if (ws == null || ws.length <= m)         // 过期检测  
        return false;  
    for (int r = w.seed, k = r, j = -(m + m); j <= m + m; ++j) {  
        ForkJoinTask<?> t; ForkJoinTask<?>[] q; int b, i;  
        //随机选出一个牺牲者(工作线程)。  
        ForkJoinWorkerThread v = ws[k & m];  
        //一系列检查...  
        if (v != null && (b = v.queueBase) != v.queueTop &&  
            (q = v.queue) != null && (i = (q.length - 1) & b) >= 0) {  
            //如果这个牺牲者的任务队列中还有任务,尝试窃取这个任务。  
            long u = (i << ASHIFT) + ABASE;  
            if ((t = q[i]) != null && v.queueBase == b &&  
                UNSAFE.compareAndSwapObject(q, u, t, null)) {  
                //窃取成功后,调整queueBase  
                int d = (v.queueBase = b + 1) - v.queueTop;  
                //将牺牲者的stealHint设置为当前工作线程在pool中的下标。  
                v.stealHint = w.poolIndex;  
                if (d != 0)  
                    signalWork();             // 如果牺牲者的任务队列还有任务,继续唤醒(或创建)线程。  
                w.execTask(t); //执行窃取的任务。  
            }  
            //计算出下一个随机种子。  
            r ^= r << 13; r ^= r >>> 17; w.seed = r ^ (r << 5);  
            return false;                     // 返回false,表示不是一个空扫描。  
        }  
        //前2*m次,随机扫描。  
        else if (j < 0) {                     // xorshift  
            r ^= r << 13; r ^= r >>> 17; k = r ^= r << 5;  
        }  
        //后2*m次,顺序扫描。  
        else  
            ++k;  
    }  
    if (scanGuard != g)                       // staleness check  
        return false;  
    else {                                     
        //如果扫描完毕后没找到可窃取的任务,那么从Pool的提交任务队列中取一个任务来执行。  
        ForkJoinTask<?> t; ForkJoinTask<?>[] q; int b, i;  
        if ((b = queueBase) != queueTop &&  
            (q = submissionQueue) != null &&  
            (i = (q.length - 1) & b) >= 0) {  
            long u = (i << ASHIFT) + ABASE;  
            if ((t = q[i]) != null && queueBase == b &&  
                UNSAFE.compareAndSwapObject(q, u, t, null)) {  
                queueBase = b + 1;  
                w.execTask(t);  
            }  
            return false;  
        }  
        return true;                         // 如果所有的队列(工作线程的任务队列和pool的任务队列)都是空的,返回true。  
    }  
}

关于ForkJoinPool/FutureTask,本文只是分析了其基本使用原理。还有很多实现细节,留待读者自己去分析。

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