ForkJoin最全详解(从原理设计到使用图解) – mikechen

ForkJoin是并发编程中一个比较重要的知识技能，ForkJoin并行框架能方便的利用多核处理器的计算能力实现并发任务的拆分，建议重点掌握@mikechen

以下我会从ForkJoin框架的整体设计、原理、算法、以及使用案例来全面详解ForkJoin。

从JDK1.7开始，Java提供ForkJoin框架用于并行执行任务，它的思想就是讲一个大任务分割成若干小任务，最终汇总每个小任务的结果得到这个大任务的结果。

Fork/Join 框架采用了工作窃取（work-stealing）算法来实现，其算法核心是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。

假如我们需要做一个比较大的任务，我们可以把这个任务分割为若干互不依赖的子任务，为了减少线程间的竞争，于是把这些子任务分别放到不同的队列里，并为每个队列创建一个单独的线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应。

但是有的线程会先把自己队列里的任务干完，而其他线程对应的队列里还有任务等待处理，干完活的线程与其等着，不如去帮其他线程干活，于是它就去其他线程的队列里窃取一个任务来执行。

而在这时它们会访问同一个队列，所以为了减少窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争，通常会使用双端队列，被窃取任务线程永远从双端队列的头部拿任务执行，而窃取任务的线程永远从双端队列的尾部拿任务执行，其工作原理如下图所示：

为什么要采用工作窃取算法来实现？

因为当我们需要处理一个大任务时，我们会把这个大任务分割为若干互不依赖的子任务。

为了减少线程间的竞争，我们会把这些子任务分别放到不同的队列里，然后为每个队列创建一个单独的线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应。

各个线程执行效率各有差异，为了提高效率，引入“工作窃取算法”，允许“快线程”窃取“慢线程”任务执行。

工作窃取算法充分利用多线程进行并行计算，提高了执行效率，同时使用双端队列减少了线程间的冲突竞争，然后不能完全避免冲突，比如某个任务队列中仅有一个任务的时候，两个线程同时竞争。

除了要了解ForkJoin整个的实现思路， 还需要了解ForkJoin为了实现这个框架定义了哪些角色，并了解这些角色的职责范围是什么的。

ForkJoin框架核心设计类为：任务（ForkJoinTask）和线程池（ForkJoinPool），并发任务执行流程图下图所示：

下面分别谈谈两者的核心作用。

ForkJoinPool

既然任务是被逐渐的细化的，那就需要把这些任务存在一个池子里面，这个池子就是ForkJoinPool，充当fork/join框架里面的管理者，最原始的任务都要交给它才能处理。

它负责控制整个fork/join有多少个workerThread，workerThread的创建，激活都是由它来掌控。

它还负责workQueue队列的创建和分配，每当创建一个workerThread，它负责分配相应的workQueue，然后它把接到的活都交给workerThread去处理，它可以说是整个frok/join的容器。

它与其它的ExecutorService区别主要在于它使用“工作窃取“，主要管理ForkJoin框架里面线程的执行。

ForkJoinTask

我们要使用ForkJoin框架，必须首先创建一个ForkJoin任务，而这个类就是一个将在ForkJoinPool中执行的任务的基类。

ForkJoin框架提供了在一个任务里执行fork和join操作的机制和控制任务状态的方法。

通常，为了实现Fork/Join任务，需要实现一个以下两个类之一的子类（继承于ForkJoinTask）。

它的两个子类分别是：RecursiveAction、RecursiveTask，下面简要谈谈两者的区别。

RecursiveAction：是并发包内现成的ForkJoinTask实现之一，继承自ForkJoinTask，负责处理那些不需要返回结果的任务。

RecursiveTask：也是并发包内现成的ForkJoinTask实现之一，继承自ForkJoinTask，负责处理那些需要返回结果的任务。

这两个区别在于RecursiveTask任务是有返回值，RecursiveAction没有返回值，下面是二者的类图关系结构：

上面主要谈了ForkJoin并发任务执行的核心设计，下面我们就来看看如何去使用ForkJoin。

在使用之前，我们需要记住两个概念：

ForkJoinTask，我们需要自己定义一个ForkJoinTask，用来定义我们需要执行的任务，它可以继承RecursiveAction或者RecursiveTask，从而获取fork和join操作的能力，前者表示不需要返回值，后者则是需要返回值。

ForkJoinPool类似于线程池，连接池的概念，ForkJoinTask都需要交给ForkJoinPool才能执行。

我们通过一个求和的例子来说明ForkJoin的流程，现在我们要对1到8的整数进行求和，代码如下：