Java并发中的Fork/Join 框架机制详解

介绍

Java并发中的Fork/Join框架是Java SE7中的一个处理器并行的框架。在处理大规模的并行性任务时，使用这个框架可以得到更好的性能。这个框架的核心类是ForkJoinPool和ForkJoinTask。

ForkJoinPool

ForkJoinPool是Java并发中的线程池。它内部维护着一个工作队列（WorkQueue），每个WorkQueue对应一个执行线程。当一个任务提交给ForkJoinPool时，它会根据所需线程数将任务分配到适当数量的WorkQueue上，并将WorkQueue分配给执行线程。

ForkJoinTask

在ForkJoinPool中执行的任务被表示为ForkJoinTask。ForkJoinTask是一个抽象类，实际的任务需要继承它并实现compute方法。如果任务无法继续分割，compute方法将完成实际的工作。

工作原理

Fork/Join框架的工作原理是将任务递归地分割成小任务，直到它变得足够小，可以被一个线程处理。每次分割都将原任务的子任务提交到任务队列中，等待线程来执行。当一个线程没有任务时，它将尝试从其他线程的任务队列中偷取一个任务来执行，这样可以提高并行任务执行的效率。

示例说明1

下面是一个示例代码，演示了如何使用Fork/Join框架来计算数组中所有元素的总和：

import java.util.concurrent.RecursiveTask;

public class ArraySumCalculator extends RecursiveTask<Integer> {
    private int[] array;
    private int start;
    private int end;

    public ArraySumCalculator(int[] array, int start, int end) {
        this.array = array;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    protected Integer compute() {
        if ((end - start) <= 1000) {
            int sum = 0;
            for (int i = start; i < end; i++) {
                sum += array[i];
            }
            return sum;
        } else {
            int mid = (start + end) / 2;
            ArraySumCalculator leftSubtask = new ArraySumCalculator(array, start, mid);
            ArraySumCalculator rightSubtask = new ArraySumCalculator(array, mid, end);
            leftSubtask.fork();
            int rightResult = rightSubtask.compute();
            int leftResult = leftSubtask.join();
            return leftResult + rightResult;
        }
    }
}

在这个示例中，我们定义了一个ArraySumCalculator类，它继承自ForkJoinTask，并重写了compute方法。在compute方法中，如果区间大小不超过1000，就计算区间的和；否则就递归地拆分任务，并调用fork方法将任务添加到ForkJoin池中。最后，在子任务中调用join方法等待子任务完成，并将其计算出来的结果相加。

示例说明2

下面是一个示例代码，演示了如何使用Fork/Join框架进行归并排序：

import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.RecursiveAction;

public class MergeSort extends RecursiveAction {
    private int[] array;
    private int start;
    private int end;

    public MergeSort(int[] array, int start, int end) {
        this.array = array;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected void compute() {
        if (end - start <= 1) {
            return;
        } else {
            int mid = (start + end) / 2;
            MergeSort leftSubtask = new MergeSort(array, start, mid);
            MergeSort rightSubtask = new MergeSort(array, mid, end);
            invokeAll(leftSubtask, rightSubtask);
            merge(start, mid, end);
        }
    }

    private void merge(int start, int mid, int end) {
        int[] leftArray = Arrays.copyOfRange(array, start, mid);
        int[] rightArray = Arrays.copyOfRange(array, mid, end);
        int i = 0;
        int j = 0;
        for (int k = start; k < end; k++) {
            if (i >= leftArray.length) {
                array[k] = rightArray[j++];
            } else if (j >= rightArray.length) {
                array[k] = leftArray[i++];
            } else if (leftArray[i] < rightArray[j]) {
                array[k] = leftArray[i++];
            } else {
                array[k] = rightArray[j++];
            }
        }
    }
}

在这个示例中，我们定义了一个MergeSort类，它继承自ForkJoinTask，并重写了compute方法。如果区间大小不超过1，就返回；否则就递归地拆分任务。在子任务中调用invokeAll方法等待子任务完成，并执行merge方法将两个子数组合并成一个。

总结

以上是Fork/Join框架的详细介绍和两个示例。Fork/Join框架的主要目的是为了处理大规模并行性任务，它可以将任务分解成许多小的子任务，并自动使用线程池来并行执行这些子任务。在并发编程中，Fork/Join框架是一个非常有用的工具，它可以将任务分配给多个处理器来获得更好的性能，并自动调整线程池的大小以适应不同的工作负载。