文章基于jdk1.7，通过学习《Java并发编程的艺术》，对Fork/Join框架的理解。
什么是Fork/Join框架
Fork/Join框架是Java7提供了的一个用于并行执行任务的框架， 是一个把大任务分割成若干个小任务，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架。
它的主要思想是：分而治之。
工作窃取算法
工作窃取（work-stealing）算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。
什么需要使用工作窃取算法呢？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，比如A线程负责处理A队列里的任务。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。
工作窃取算法的优点是充分利用线程进行并行计算，并减少了线程间的竞争，其缺点是在某些情况下还是存在竞争，比如双端队列里只有一个任务时。并且消耗了更多的系统资源，比如创建多个线程和多个双端队列。
介绍
Fork/Join框架的设计分为两步：
第一步分割任务。首先我们需要有一个fork类来把大任务分割成子任务，有可能子任务还是很大，所以还需要不停的分割，直到分割出的子任务足够小。
第二步执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列里，然后几个启动线程分别从双端队列里获取任务执行。子任务执行完的结果都统一放在一个队列里，启动一个线程从队列里拿数据，然后合并这些数据。
Fork/Join使用两个类来完成以上两件事情：
- ForkJoinTask：我们要使用ForkJoin框架，必须首先创建一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行fork()和join()操作的机制，通常情况下我们不需要直接继承ForkJoinTask类，而只需要继承它的子类，Fork/Join框架提供了以下两个子类：
RecursiveAction：用于没有返回结果的任务。RecursiveTask ：用于有返回结果的任务。 - ForkJoinPool ：ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行，任务分割出的子任务会添加到当前工作线程所维护的双端队列中，进入队列的头部。当一个工作线程的队列里暂时没有任务时，它会随机从其他工作线程的队列的尾部获取一个任务。
使用
使用Fork/Join框架计算：1+2+3+……+100000000.
使用Fork／Join框架首先要考虑到的是如何分割任务，如果我们希望每个子任务最多执行10000个数的相加，那么我们设置分割的阈值是10000，由于是100000000个数字相加，所以会不停的分割，第一次先分割成两部分，即1~50000000 和 50000001~100000000，第二次继续将 1~50000000 分割成 1~25000000 和 25000001~50000000 ，将50000001~100000000 分割成 50000001~75000000 和 75000001~100000000 ……，一直分割，直到 开始和 结束的的差小于等于10000。
import java.util.concurrent.*; public class CountTask extends RecursiveTask<Long> { /** * 阀值 */ private static final long THRESHOLD = 10000; // 开始数 private long start; // 结束数 private long end; public CountTask(long start, long end) { this.start = start; this.end = end; } @Override protected Long compute() { long sum = 0; // 如果足够小就计算 boolean canComplute = (end - start) <= THRESHOLD; if(canComplute) { for(long i = start; i <= end; i++) { sum += i; } } else { // 否则，对大任务进行拆分 // 对半分 long middle = (start + end) /2; // 进行递归 CountTask left = new CountTask(start, middle); CountTask right = new CountTask(middle + 1, end); // 执行子任务 invokeAll(left, right); // 获取结果 long lResult = left.join(); long rRight = right.join(); sum = lResult + rRight; } return sum; } public static void main(String[] args) { long s = System.currentTimeMillis(); ForkJoinPool pool = ForkJoinPool.commonPool(); CountTask countTask = new CountTask(1,100000000); // 参数为起始值与结束值 Future<Long> result = pool.submit(countTask); // 如果任务完成 if(!((ForkJoinTask<Long>) result).isCompletedAbnormally()) { try { // 获取任务结果 System.out.println("fork/join计算为：" + result.get()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (ExecutionException e) { e.printStackTrace(); } } System.out.println("fork/join计算花费时间：" + (System.currentTimeMillis() - s) + "ms"); s = System.currentTimeMillis(); long sum = 0; for(int i = 1; i <= 100000000 ; i++) { sum += i; } System.out.println("计算结果：" + sum); System.out.println("普通计算花费时间：" + (System.currentTimeMillis() - s) + "ms"); } } 复制代码
fork/join计算为：5000000050000000 fork/join计算花费时间：53ms 计算结果：5000000050000000 普通计算花费时间：55ms
三种提交任务到ForkJoinPool的方法：
- execute():异步执行，没有任何返回 。
- invoke():同步执行，调用之后需要等待任务完成，才能执行后面的代码 。
- submit():异步执行，当调用get方法的时候会阻塞，完成时返回一个future对象用于检查状态以及运行结果。
ForkJoinPool commonPool = ForkJoinPool.commonPool(); 复制代码
为公共池提供一个引用，使用预定义的公共池减少了资源消耗，因为这阻碍了每个任务创建一个单独的线程池。
检查任务运行的状态
- 无论以什么方式结束任务，isDone() 方法返回true；
- 如果完成任务过程中没有被取消或者发生异常，isCompletedNormally() 方法返回true；
- 如果任务被取消， isCancelled() 方法返回true；
- 如果任务被取消或者遇到异常，isCompletedAbnormally() 方法返回true
异常处理
ForkJoinTask在执行的时候可能会抛出异常，但是我们没办法在主线程里直接捕获异常，所以ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法来检查任务是否已经抛出异常或已经被取消了，并且可以通过ForkJoinTask的getException方法获取异常。使用如下代码：
if(task.isCompletedAbnormally()) { System.out.println(task.getException()); } 复制代码
getException方法返回Throwable对象，如果任务被取消了则返回CancellationException。如果任务没有完成或者没有抛出异常则返回null。
与ExecutorService 的区别
Fork/Join采用“工作窃取模式”，当执行新的任务时他可以将其拆分成更小的任务执行，并将小任务加到线程队列中，然后再从一个随即线程中偷一个并把它加入自己的队列中。
就比如两个CPU上有不同的任务，这时候A已经执行完，B还有任务等待执行，这时候A就会将B队尾的任务偷过来，加入自己的队列中，对于传统的线程，ForkJoin更有效的利用的CPU资源！
实现原理
ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责存放程序提交给ForkJoinPool的任务，而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。
ForkJoinTask的fork方法实现原理。当我们调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会调用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法异步的执行这个任务，然后立即返回结果。代码如下：
public final ForkJoinTask fork() { ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()) .pushTask(this); return this; } 复制代码
pushTask方法把当前任务存放在ForkJoinTask 数组queue里。然后再调用ForkJoinPool的signalWork()方法唤醒或创建一个工作线程来执行任务。代码如下：
final void pushTask(ForkJoinTask t) { ForkJoinTask[] q; int s, m; if ((q = queue) != null) { // ignore if queue removed long u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1)) << ASHIFT) + ABASE; UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t); queueTop = s + 1; // or use putOrderedInt if ((s -= queueBase) <= 2) pool.signalWork(); else if (s == m) growQueue(); } } 复制代码
首先，它调用了doJoin()方法，通过doJoin()方法得到当前任务的状态来判断返回什么结果，任务状态有四种：已完成（NORMAL），被取消（CANCELLED），信号（SIGNAL）和出现异常（EXCEPTIONAL）。
- 如果任务状态是已完成，则直接返回任务结果。
- 如果任务状态是被取消，则直接抛出CancellationException。
- 如果任务状态是抛出异常，则直接抛出对应的异常。
让我们再来分析下doJoin()方法的实现代码：
private int doJoin() { Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed; if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) { if ((s = status) < 0) return s; if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) { try { completed = exec(); } catch (Throwable rex) { return setExceptionalCompletion(rex); } if (completed) return setCompletion(NORMAL); } return w.joinTask(this); } else return externalAwaitDone(); } 复制代码
在doJoin()方法里，首先通过查看任务的状态，看任务是否已经执行完了，如果执行完了，则直接返回任务状态，如果没有执行完，则从任务数组里取出任务并执行。如果任务顺利执行完成了，则设置任务状态为NORMAL，如果出现异常，则纪录异常，并将任务状态设置为EXCEPTIONAL。
