Master-Worker模式

• 简介

　　Master-Worker模式是常用的并行设计模式。它的核心思想是，系统有两个进程协议工作：Master进程和Worker进程。Master进程负责接收和分配任务，Worker进程负责处理子任务。当各个Worker进程将子任务处理完后，将结果返回给Master进程，由Master进行归纳和汇总，从而得到系统结果。处理过程如下图：

Master-Worker模式的好处是，它能将大任务分解成若干个小任务，并发执行，从而提高系统性能。而对于系统请求者Client来说，任务一旦提交，Master进程就会立刻分配任务并立即返回，并不会等系统处理完全部任务再返回，其处理过程是异步的。

• Master-Worker模式结构

　　Master-Worker模式的主要结构如下图：

　　如上图所示，Master进程是主要进程，它维护着一个Worker进程队列、子任务队列和子结果集，Worker进程中的Worker进程不断的从任务队列中提取要处理的子任务，并将子任务的处理结果放入到子结果集中。

　　在上图中，Master：用于任务的分配和最终结果的合并；Worker：用于实际处理一个任务；客户端进程：用于启动系统，调度开启Master。

• Master-Worker模式代码实现

　　Master代码实现：

public class Master {    //任务队列    protected Queue<Object> workQueue = new ConcurrentLinkedQueue<Object>();    //worker进程队列    protected Map<String, Thread> threadMap = new HashMap<String, Thread>();    //结果集    protected Map<String, Object> resultMap = new HashMap<String,Object>();        //是否所有的子任务都结束        public boolean isComplete(){        for(Map.Entry<String, Thread> entry:threadMap.entrySet()){            if(entry.getValue().getState()!=Thread.State.TERMINATED){                return false;            }        }        return true;    }    public Master(Worker worker,int countWorker) {        worker.setResultMap(resultMap);        worker.setWorkQueue(workQueue);        for (int i = 0; i < countWorker; i++) {            threadMap.put(Integer.toString(i), new Thread(worker,Integer.toString(i)));        }    }        //提交任务        public void submit(Object obj){        workQueue.add(obj);        //System.out.println(obj.toString());    }            //返回子任务结果集    public Map<String, Object> getResultMap() {        return resultMap;    }        //开始运行所有worker进程，并进行处理        public void execute(){        for(Map.Entry<String, Thread> entry:threadMap.entrySet()){            entry.getValue().start();        }    }    }

　Worker代码实现：

public class Worker implements Runnable {    //任务队列    protected Queue<Object> workQueue;    //子任务结果集    protected Map<String,Object> resultMap = new HashMap<String, Object>();            public void setWorkQueue(Queue<Object> workQueue) {        this.workQueue = workQueue;    }    public void setResultMap(Map<String, Object> resultMap) {        this.resultMap = resultMap;    }    public Object handle(Object input){        return input;    }    @Override    public void run() {        while(true){            Object input = workQueue.poll();                        if(null==input) break;            //处理子任务            Object re = handle(input);            resultMap.put(Integer.toString(input.hashCode()),re);            //System.out.println(re.toString());        }    }}

Master-Worker模式是一种串行任务并行化的方法，被分解的子任务在系统中可以并行处理。同时，如果有需要，Master进程不需要所有子任务都执行完成，就可以根据已有的部分结果集计算最终的结果。

　　现在以上面的Master-Worker实现为基础，来实现计算1-100的立方和。计算将被分解为100个子任务，每个子任务仅用于计算单独的立方和。Master产生固定数目Worker，来处理这些子任务。Worker不断的从任务集合中取出这些计算立方和的子任务，并将计算结果放入到Master的结果集中。Master负责将所有Worker的任务结果进行累加，从而产生最终的立方和。整个计算过程，Worker和Master的运算也是完全异步的，Master进程不必等所有的Worker进程都执行完成，就可以进行求和操作了。也就是所，Master在获取部分子任务的结果集时，就可以对最终结果进行计算了，从而提高了系统的并发性和吞吐量。

　　计算子任务的实现如下：

public class PlusWorker extends Worker {    @Override    public Object handle(Object input) {        Integer i = (Integer) input;        return i*i*i;    }    }

客户端代码如下：

public class Client {    public static void main(String[] args) {        Master m = new Master(new PlusWorker(), 5);//启动五个线程处理        for (int i = 0; i < 100; i++) {            m.submit(i);        }        m.execute();        int re = 0;        Map<String, Object> resultMap = m.getResultMap();        while(resultMap.size()>0||!m.isComplete()){            Set<String> keys = resultMap.keySet();            String key =  null;            for(String k:keys){                key=k;                break;            }            Integer i = null;            if(key != null){                i = (Integer) resultMap.get(key);            }            if(i!=null){                re+=i;//并行计算结果集            }                        if(key!=null){                resultMap.remove(key);//将计算完成的结果移除            }        }                System.out.println(re);    }}

　　通过Master创建5个Worker工作线程和PlusWorker工作实例。提交完100个任务后，就开始计算子任务。这些子任务，由生成的5个Worker线程共同完成。Master并不等所有的子任务都计算完成，就开始访问子结果集进行最终结果的计算，直到子结果集中所有的数据都被处理，并且5个活跃的Worker线程全部终止，才能求出最终结果。