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：

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1. If (problem size > default size){  
2. task s = divide(task);  
3. execute(tasks);  
4. } else {  
5. resolve problem using another algorithm;  
6. }  

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。

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1. public class Test {  
2.       
3.     public final static ForkJoinPool mainPool = new ForkJoinPool();  
4.       
5.     public static void main(String[] args){  
6.         int n = 26;  
7.         int[] a = new int[n];  
8.         for(int i=0; i<n; i++) {  
9.             a[i] = i;  
10.         }  
11.         SubTask task = new SubTask(a, 0, n);  
12.         mainPool.invoke(task);  
13.         for(int i=0; i<n; i++) {  
14.             System.out.print(a[i]+" ");  
15.         }  
16.     }  
17. }  
18.   
19. class SubTask extends RecursiveAction {  
20.   
21.     private static final long serialVersionUID = 1L;  
22.       
23.     private int[] a;  
24.     private int beg;  
25.     private int end;  
26.       
27.     public SubTask(int[] a, int beg, int end) {  
28.         super();  
29.         this.a = a;  
30.         this.beg = beg;  
31.         this.end = end;  
32.     }  
33.   
34.     @Override  
35.     protected void compute() {  
36.         if(end-beg>10) {  
37.             int mid = (beg+end) / 2;  
38.             SubTask t1 = new SubTask(a, beg, mid);  
39.             SubTask t2 = new SubTask(a, mid, end);  
40.             invokeAll(t1, t2);  
41.         }else {  
42.             for(int i=beg; i<end; i++) {  
43.                 a[i] = a[i] + 1;  
44.             }  
45.         }  
46.     }  
47. }  

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。

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1. public class Test {  
2.       
3.     public final static ForkJoinPool mainPool = new ForkJoinPool();  
4.       
5.     public static void main(String[] args){  
6.         int n = 26;  
7.         int[] a = new int[n];  
8.         Random rand = new Random();  
9.         for(int i=0; i<n; i++) {  
10.             a[i] = rand.nextInt(1000);  
11.         }  
12.         SubTask task = new SubTask(a, 0, n);  
13.         int count = mainPool.invoke(task);  
14.         for(int i=0; i<n; i++) {  
15.             System.out.print(a[i]+" ");  
16.         }  
17.         System.out.println("\n数组中共出现了" + count + "个1");  
18.     }  
19. }  
20.   
21. class SubTask extends RecursiveTask<Integer> {  
22.   
23.     private static final long serialVersionUID = 1L;  
24.       
25.     private int[] a;  
26.     private int beg;  
27.     private int end;  
28.       
29.     public SubTask(int[] a, int beg, int end) {  
30.         super();  
31.         this.a = a;  
32.         this.beg = beg;  
33.         this.end = end;  
34.     }  
35.   
36.     @Override  
37.     protected Integer compute() {  
38.         int result = 0;  
39.         if(end-beg>1) {  
40.             int mid = (beg+end)/2;  
41.             SubTask t1 = new SubTask(a, beg, mid);  
42.             SubTask t2 = new SubTask(a, mid, end);  
43.             invokeAll(t1, t2);  
44.             try {  
45.                 result = t1.get()+t2.get();  
46.             } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {  
47.                 e.printStackTrace();  
48.             }  
49.         } else {  
50.             result = count(a[beg]);  
51.         }  
52.         return result;  
53.     }  
54.       
55.     //统计一个整数中出现了几个1  
56.     private int count(int n) {  
57.         int result = 0;  
58.         while(n>0) {  
59.             if(n % 10==1) {  
60.                 result++;  
61.             }  
62.             n = n / 10;  
63.         }  
64.         return result;  
65.     }  
66. }  

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。

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1. public class ThreadLocalTest {  
2.   
3.     public static void main(String[] args) throws Exception {  
4.         Path p = Paths.get("D:/");  
5.         List<Path> roots = (List<Path>) FileSystems.getDefault().getRootDirectories();  
6.         List<Path> result = new ArrayList<>();  
7.         List<MyTask> tasks = new ArrayList<>();  
8.         ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();  
9.         for(Path root:roots) {  
10.             MyTask t = new MyTask(root, "pdf");  
11.             pool.execute(t);  
12.             tasks.add(t);  
13.         }  
14.           
15.         System.out.print("正在处理中");  
16.         while(isAllDone(tasks) == false) {  
17.             System.out.print(". ");  
18.             TimeUnit.SECONDS.sleep(3);  
19.         }  
20.           
21.         for(MyTask t:tasks) {  
22.             result.addAll(t.get());  
23.         }  
24.           
25.         for(Path pp:result) {  
26.             System.out.println(pp);  
27.         }  
28.     }  
29.       
30.     private static boolean isAllDone(List<MyTask> tasks) {  
31.         boolean result = true;  
32.         for(MyTask t:tasks) {  
33.             if(t.isDone() == false) {  
34.                 result = false;  
35.                 break;  
36.             }  
37.         }  
38.         return result;  
39.     }  
40. }  
41.   
42. class MyTask extends RecursiveTask<List<Path>> {  
43.   
44.     private static final long serialVersionUID = 1L;  
45.       
46.     private Path path;  
47.     private String fileExtention;  
48.   
49.     public MyTask(Path path, String fileExtention) {  
50.         super();  
51.         this.path = path;  
52.         this.fileExtention = fileExtention;  
53.     }  
54.   
55.     @Override  
56.     protected List<Path> compute() {  
57.         List<Path> result = new ArrayList<>();  
58.         try {  
59.             DirectoryStream<Path> paths = Files.newDirectoryStream(path);  
60.             List<MyTask> subTasks = new ArrayList<>();  
61.             for(Path p:paths) {  
62.                 if(Files.isDirectory(p)) {  
63.                     MyTask t = new MyTask(p, fileExtention);  
64.                     t.fork();  
65.                     subTasks.add(t);  
66.                 }else if(Files.isRegularFile(p)) {  
67.                     if(p.toString().toLowerCase().endsWith("."+fileExtention)) {  
68.                         result.add(p);  
69.                     }  
70.                 }  
71.             }  
72.               
73.             for(MyTask t:subTasks) {  
74.                 result.addAll(t.join());  
75.             }  
76.         } catch (IOException e) {  
77.         }  
78.         return result;  
79.     }  
80. }