(十五)ForkJoin框架

news2024/11/27 12:56:40

ForkJoinPool

ForkJoinPool是一种“分治算法”的多线程并行计算框架,自Java7引入。它将一个大的任务分为若干个子任务,这些子任务分别计算,然后合并出最终结果。
ForkJoinPool比普通的线程池可以更好地实现计算的负载均衡,提高资源利用率。

创建ForkJoinPool

构造方法

共有三个public的构造方法,最多的有4个参数,分别是 并行度、工作线程工厂,线程未捕获异常的处理器、工作队列模式(FIFO或LIFO,默认是LIFO)、工作线程名称前缀。一般在使用无参或一个参数的构造方法即可,(或者使用commonPool),如果需要定制线程继承ForkJoinWorkerThread,则使用4个参数的构造方法。
//ForkJoinPool.commonPool();
public ForkJoinPool() {
    this(Math.min(MAX_CAP, Runtime.getRuntime().availableProcessors()),
            defaultForkJoinWorkerThreadFactory, null, false);
}
public ForkJoinPool(int parallelism) {
    this(parallelism, defaultForkJoinWorkerThreadFactory, null, false);
}
public ForkJoinPool(int parallelism,
                    ForkJoinWorkerThreadFactory factory,
                    UncaughtExceptionHandler handler,
                    boolean asyncMode) {
    this(checkParallelism(parallelism),
            checkFactory(factory), handler, asyncMode ? FIFO_QUEUE : LIFO_QUEUE,
            "ForkJoinPool-" + nextPoolId() + "-worker-");
    checkPermission();
}

private ForkJoinPool(int parallelism,
                     ForkJoinWorkerThreadFactory factory,
                     UncaughtExceptionHandler handler,
                     int mode, String workerNamePrefix) {
    this.workerNamePrefix = workerNamePrefix;
    this.factory = factory;
    this.ueh = handler;
    this.config = (parallelism & SMASK) | mode;
    long np = (long)(-parallelism); // offset ctl counts
    this.ctl = ((np << AC_SHIFT) & AC_MASK) | ((np << TC_SHIFT) & TC_MASK);
}

RecursiveAction和RecursiveTask

这两个类都是ForkJoinTask子类,用于实现子任务的逻辑。区别是 前者没有返回值,后者有返回值。使用时,针对不同类型的任务,可以分别继承这两个类,实现其compute方法。

使用

案例1(RecursiveAction):快速排序

基本思想:
1、利用数组的某个元素(一般取第一个元素)把数组划分成两半,左边子数组里面的元素小于等于该元素,右边子数组里面的元素大于等于该元素。
2、对左右的2个子数组分别排序。
将数组划分为两部分后,对子数组分别排序是独立的子问题,这个过程可以递归分解子问题,所以可以利用多个线程分别为子数组排序。
package com.example.demo;

import org.junit.Test;

import java.security.SecureRandom;
import java.time.Duration;
import java.time.Instant;
import java.time.temporal.ChronoUnit;
import java.util.Arrays;
import java.util.StringJoiner;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.stream.Stream;

public class ForkJoinTest {
    ForkJoinPool pool = ForkJoinPool.commonPool();
    SecureRandom random = new SecureRandom();

    @Test
    public void testSort() throws ExecutionException, InterruptedException {
        StringJoiner before = new StringJoiner(",","[","]");
        //20个数的数组
        int[] arr = getRandomIntArray(20);
        Arrays.stream(arr).mapToObj(String::valueOf).forEach(before::add);
        System.out.println(before.toString());
        Instant start = Instant.now();
        ForkJoinTask<Void> task = pool.submit(new QuickSortTask(arr));
        //阻塞直到完成排序
        task.get();
        long i = Duration.between(start,Instant.now()).get(ChronoUnit.NANOS);
        System.out.println("排序时间:" + i + "纳秒");
        StringJoiner after = new StringJoiner(",","[","]");
        Arrays.stream(arr).mapToObj(String::valueOf).forEach(after::add);
        System.out.println(after.toString());
    }

    private int[] getRandomIntArray(int count) {
        int bound = count * 10;
        int[] array = new int[count];
        for (int i = 0; i < count; i++){
            array[i] = random.nextInt(bound);
        }
        return array;
    }

    public static class QuickSortTask extends RecursiveAction {

        private int start;
        private int end;
        private int[] array;

        public QuickSortTask(int[] array){
            this.array = array;
            this.start = 0;
            this.end = array.length-1;
        }

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

        @Override
        protected void compute() {
            int mid = part(array, start, end);
            //当左边还有元素时
            if (mid != start) {
                QuickSortTask task1 = new QuickSortTask(array, start, mid - 1);
                task1.fork();
                task1.join();
            }
            //当右边还有元素时
            if (mid != end) {
                QuickSortTask task2 = new QuickSortTask(array, mid + 1, end);
                task2.fork();
                task2.join();
            }
        }

        /**
         * <p>返回基准值的下标,基准值左的元素都小于等于基准值,基准值右的元素大于等于基准值</p>
         * @param array
         * @param start
         * @param end
         * @return
         */
        private int part(int[] array, int start, int end) {
            int i = start, j = end;
            //基准值的下标
            int base = start;
            //左右扫描相遇时结束
            while (i < j) {
                //从右向左扫描,如果当前值比基准值小,则置换,已经置换过的元素不再扫描(j的右边)
                while (i < j && array[j] >= array[base]) {
                    j--;
                }
                if (i < j) {
                    swap(array, j, base);
                    base = j;
                }
                //从左向右扫描,如果当前值比基准值大,则置换,已经置换过的元素不再扫描(i的左边)
                while (i < j && array[i] <= array[base]) {
                    i++;
                }
                if (i < j) {
                    swap(array,i, base);
                    base = i;
                }
            }
            return base;
        }

        private void swap(int[] array, int x, int y) {
            if (x != y) {
                int temp = array[x];
                array[x] = array[y];
                array[y] = temp;
            }
        }
    }
}

案例2(RecursiveTask):求和

例如从1加到100,如果不用高斯的方法,可以用程序实现累加,将数拆分成小组,每个小组互相独立,每个小组组内分别相加,最后把组的结果相加,这个过程可以使用ForkJoin。
RecursiveTask<T>
package com.example.demo;

import org.junit.Test;

import java.security.SecureRandom;
import java.time.Duration;
import java.time.Instant;
import java.time.temporal.ChronoUnit;
import java.util.Arrays;
import java.util.StringJoiner;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.stream.Stream;

public class ForkJoinTest {
    ForkJoinPool pool = ForkJoinPool.commonPool();

    @Test
    public void testSum() throws ExecutionException, InterruptedException {
        ForkJoinTask<Integer> submit = pool.submit(new SumTask(1, 100));
        System.out.println(submit.get());
    }

    public static class SumTask extends RecursiveTask<Integer>{
        private int startNum;
        private int endNum;
        //决定当子任务处理的元素个数小于此值时不再切分任务,直接进行计算
        private static final int THRESHOLD = 10;

        public SumTask(int startNum, int endNum){
            this.startNum = startNum;
            this.endNum = endNum;
        }

        @Override
        protected Integer compute() {
            int sum = 0;
            if (endNum - startNum + 1 < THRESHOLD){
                for (int i = startNum; i <= endNum; i++){
                    sum += i;
                }
                return sum;
            }
            int mid = split(startNum, endNum);
            SumTask task1 = new SumTask(startNum, mid);
            SumTask task2 = new SumTask(mid + 1, endNum);
            ForkJoinTask<Integer> fork1 = task1.fork();
            ForkJoinTask<Integer> fork2 = task2.fork();
            sum = fork1.join() + fork2.join();
            return sum;
        }

        private int split(int startNum, int endNum) {
            return (startNum + endNum)/2;
        }
    }
}

关闭

和ThreadPoolExecutor一样,ForkJoinPool使用完也要关闭,依然是使用shutdown和shutdownNow方法,shutdown只拒绝新提交的任务;shutdownNow会取消现有的全局队列和局部队列中的任务,同时唤醒所有空闲的线程,让这些线程自动退出。
public void shutdown();
public List<Runnable> shutdownNow();
ForkJoinPool pl=new ForkJoinPool();
try {
    boolean flag;
    do {
        flag = pl.awaitTermination(500,TimeUnit.MILLISECONDS);
    } while (!flag);
} catch (Exception e){
    e.printStackTrace();
}

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