Java线程之fork/join框架

fork/join框架是用多线程的方式实现分治法来解决问题。fork指的是将问题不断地缩小规模，join是指根据子问题的计算结果，得出更高层次的结果。

fork/join框架的使用有一定的约束条件：

1. 除了fork()  和  join()方法外，线程不得使用其他的同步工具。线程最好也不要sleep()

2. 线程不得进行I/O操作

3. 线程不得抛出checked exception

此框架有几个核心类：ForkJoinPool是实现了工作窃取算法的线程池。ForkJoinTask是任务类，他有2个子类：RecursiveAction无返回值，RecursiveTask有返回值，在定义自己的任务时，一般都是从这2类中挑一个，通过继承的方式定义自己的新类。由于ForkJoinTask类实现了Serializable接口，因此，定义自己的任务类时，应该定义serialVersionUID属性。

在编写任务时，推荐的写法是这样的：

If (problem size > default size){task s = divide(task);execute(tasks);} else {resolve problem using another algorithm;}

ForkJoinPool实现了工作窃取算法（work-stealing），线程会主动寻找新创建的任务去执行，从而保证较高的线程利用率。它使用守护线程（deamon）来执行任务，因此无需对他显示的调用shutdown()来关闭。一般情况下，一个程序只需要唯一的一个ForkJoinPool，因此应该按如下方式创建它：

static final ForkJoinPool mainPool = new ForkJoinPool(); //线程的数目等于CPU的核心数

下面给出一个非常简单的例子，功能是将一个数组中每一个元素的值加1。具体实现为：将大数组不断分解为更短小的子数组，当子数组长度不超过10的时候，对其中所有元素进行加1操作。

public class Test {public final static ForkJoinPool mainPool = new ForkJoinPool();public static void main(String[] args){int n = 26;int[] a = new int[n];for(int i=0; i<n; i++) {a[i] = i;}SubTask task = new SubTask(a, 0, n);mainPool.invoke(task);for(int i=0; i<n; i++) {System.out.print(a[i]+" ");}}}class SubTask extends RecursiveAction {private static final long serialVersionUID = 1L;private int[] a;private int beg;private int end;public SubTask(int[] a, int beg, int end) {super();this.a = a;this.beg = beg;this.end = end;}@Overrideprotected void compute() {if(end-beg>10) {int mid = (beg+end) / 2;SubTask t1 = new SubTask(a, beg, mid);SubTask t2 = new SubTask(a, mid, end);invokeAll(t1, t2);}else {for(int i=beg; i<end; i++) {a[i] = a[i] + 1;}}}}

例子2，任务拥有返回值。随机生成一个数组，每个元素均是0-999之间的整数，统计该数组中每个数字出现1的次数的和。

实现方法，将该数组不断的分成更小的数组，直到每个子数组的长度为1，即只包含一个元素。此时，统计该元素中包含1的个数。最后汇总，得到数组中每个数字共包含了多少个1。

public class Test {public final static ForkJoinPool mainPool = new ForkJoinPool();public static void main(String[] args){int n = 26;int[] a = new int[n];Random rand = new Random();for(int i=0; i<n; i++) {a[i] = rand.nextInt(1000);}SubTask task = new SubTask(a, 0, n);int count = mainPool.invoke(task);for(int i=0; i<n; i++) {System.out.print(a[i]+" ");}System.out.println("\n数组中共出现了" + count + "个1");}}class SubTask extends RecursiveTask<Integer> {private static final long serialVersionUID = 1L;private int[] a;private int beg;private int end;public SubTask(int[] a, int beg, int end) {super();this.a = a;this.beg = beg;this.end = end;}@Overrideprotected Integer compute() {int result = 0;if(end-beg>1) {int mid = (beg+end)/2;SubTask t1 = new SubTask(a, beg, mid);SubTask t2 = new SubTask(a, mid, end);invokeAll(t1, t2);try {result = t1.get()+t2.get();} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {e.printStackTrace();}} else {result = count(a[beg]);}return result;}//统计一个整数中出现了几个1private int count(int n) {int result = 0;while(n>0) {if(n % 10==1) {result++;}n = n / 10;}return result;}}

例子3，异步执行任务。前面两个例子都是同步执行任务，当启动任务后，主线程陷入了阻塞状态，直到任务执行完毕。若创建新任务后，希望当前线程能继续执行而非陷入阻塞，则需要异步执行。ForkJoinPool线程池提供了execute()方法来异步启动任务，而作为任务本身，可以调用fork()方法异步启动新的子任务，并调用子任务的join()方法来取得计算结果。需要注意的是，异步使用ForkJoin框架，无法使用“工作窃取”算法来提高线程的利用率，针对每个子任务，系统都会启动一个新的线程。

本例的功能是查找硬盘上某一类型的文件。给定文件扩展名后，将硬盘上所有该类型的文件名打印显示出来。作为主程序，启动任务后，继续显示任务的执行进度，每3秒钟打印显示一个黑点，表示任务在继续。最后，当所有线程都结束了，打印显示结果。

public class ThreadLocalTest {public static void main(String[] args) throws Exception {Path p = Paths.get("D:/");List<Path> roots = (List<Path>) FileSystems.getDefault().getRootDirectories();List<Path> result = new ArrayList<>();List<MyTask> tasks = new ArrayList<>();ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();for(Path root:roots) {MyTask t = new MyTask(root, "pdf");pool.execute(t);tasks.add(t);}System.out.print("正在处理中");while(isAllDone(tasks) == false) {System.out.print(". ");TimeUnit.SECONDS.sleep(3);}for(MyTask t:tasks) {result.addAll(t.get());}for(Path pp:result) {System.out.println(pp);}}private static boolean isAllDone(List<MyTask> tasks) {boolean result = true;for(MyTask t:tasks) {if(t.isDone() == false) {result = false;break;}}return result;}}class MyTask extends RecursiveTask<List<Path>> {private static final long serialVersionUID = 1L;private Path path;private String fileExtention;public MyTask(Path path, String fileExtention) {super();this.path = path;this.fileExtention = fileExtention;}@Overrideprotected List<Path> compute() {List<Path> result = new ArrayList<>();try {DirectoryStream<Path> paths = Files.newDirectoryStream(path);List<MyTask> subTasks = new ArrayList<>();for(Path p:paths) {if(Files.isDirectory(p)) {MyTask t = new MyTask(p, fileExtention);t.fork();subTasks.add(t);}else if(Files.isRegularFile(p)) {if(p.toString().toLowerCase().endsWith("."+fileExtention)) {result.add(p);}}}for(MyTask t:subTasks) {result.addAll(t.join());}} catch (IOException e) {}return result;}}