线程池ForkJoinPool简介

ForkJoinPool线程池最大的特点就是分叉(fork)合并(join),将一个大任务拆分成多个小任务,并行执行,再结合工作窃取模式(worksteal)提高整体的执行效率,充分利用CPU资源。

一. 应用场景

ForkJoinPool使用分治算法,用相对少的线程处理大量的任务,将一个大任务一拆为二,以此类推,每个子任务再拆分一半,直到达到最细颗粒度为止,即设置的阈值停止拆分,然后从最底层的任务开始计算,往上一层一层合并结果,简单的流程如下图:

线程池ForkJoinPool简介_第1张图片

从图中可以看出ForkJoinPool要先执行完子任务才能执行上一层任务,所以ForkJoinPool适合在有限的线程数下完成有父子关系的任务场景,比如:快速排序,二分查找,矩阵乘法,线性时间选择等场景,以及数组和集合的运算。

下面是个简单的代码示例计算从1到1亿之间所有数字之和:

package com.javakk;

import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
import java.util.stream.LongStream;

/**
 * ForkJoinPool求和
 * @author 老K
 */
public class ForkJoinPoolTest {

    private static ForkJoinPool forkJoinPool;

    /**
     * 求和任务类继承RecursiveTask
     * ForkJoinTask一共有3个实现:
     * RecursiveTask:有返回值
     * RecursiveAction:无返回值
     * CountedCompleter:无返回值任务,完成任务后可以触发回调
     */
    private static class SumTask extends RecursiveTask {
        private long[] numbers;
        private int from;
        private int to;

        public SumTask(long[] numbers, int from, int to) {
            this.numbers = numbers;
            this.from = from;
            this.to = to;
        }

        /**
         * ForkJoin执行任务的核心方法
         * @return
         */
        @Override
        protected Long compute() {
            if (to - from < 10) { // 设置拆分的最细粒度,即阈值,如果满足条件就不再拆分,执行计算任务
                long total = 0;
                for (int i = from; i <= to; i++) {
                    total += numbers[i];
                }
                return total;
            } else { // 否则继续拆分,递归调用
                int middle = (from + to) / 2;
                SumTask taskLeft = new SumTask(numbers, from, middle);
                SumTask taskRight = new SumTask(numbers, middle + 1, to);
                taskLeft.fork();
                taskRight.fork();
                return taskLeft.join() + taskRight.join();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 也可以jdk8提供的通用线程池ForkJoinPool.commonPool
        // 可以在构造函数内指定线程数
        forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        long[] numbers = LongStream.rangeClosed(1, 100000000).toArray();
        // 这里可以调用submit方法返回的future,通过future.get获取结果
        Long result = forkJoinPool.invoke(new SumTask(numbers, 0, numbers.length - 1));
        forkJoinPool.shutdown();
        System.out.println("最终结果:"+result);
        System.out.println("活跃线程数:"+forkJoinPool.getActiveThreadCount());
        System.out.println("窃取任务数:"+forkJoinPool.getStealCount());
    }
}

输出结果(活跃线程数和窃取任务会根据本地环境和任务执行情况变化):

最终结果:5000000050000000
活跃线程数:4
窃取任务数:12

上例中在compute方法里拆分的最小粒度是10个元素,大家可以改成其他的值试下,会发现执行的效率差别很大,所以要注意拆分粒度对性能的影响。

ForkJoinPool内部的队列能够保证执行任务的顺序,至于为什么它能够在有限的线程数量下完成非常多的任务,后面会讲到。

二. 与ThreadPoolExecutor原生线程池的区别

ForkJoinPool和ThreadPoolExecutor都实现了ExecutorExecutorService接口,都可以通过构造函数设置线程数,threadFactory,可以查看ForkJoinPool.makeCommonPool()方法的源码查看通用线程池的构造细节。

在内部结构上我觉得两个线程池最大的区别是在工作队列的设计上,如下图

ThreadPoolExecutor:

线程池ForkJoinPool简介_第2张图片

ForkJoinPool:

线程池ForkJoinPool简介_第3张图片

图上细节画的不严谨,但大致能看出区别:

  • ForkJoinPool每个线程都有自己的队列
  • ThreadPoolExecutor共用一个队列

通过上面的代码示例可以看到使用ForkJoinPool可以在有限的线程数下来完成非常多的具有父子关系的任务,比如使用4个线程来完成超过2000万个任务。但是使用ThreadPoolExecutor是不可能的,因为ThreadPoolExecutor中的线程无法选择优先执行子任务,要完成2000万个具有父子关系的任务时,就需要2000万个线程,这样会导致ThreadPoolExecutor的任务队列撑满或创建的最大线程数把内存撑爆直接gg。

ForkJoinPool最适合计算密集型任务,而且最好是非阻塞任务,之前的一篇文章:Java踩坑记系列之线程池 也说了线程池的不同使用场景和注意事项。

所以ForkJoinPool是ThreadPoolExecutor线程池的一种补充,是对计算密集型场景的加强。

三. 工作窃取的实现原理

第一节的代码示例输出结果显示活跃线程是4个,但却完成了2000万个子任务,窃取任务是12个(窃取数跟拆分层级和计算复杂度有关),这是work steal工作窃取的作用。

ForkJoinPool类中的WorkQueue正是实现工作窃取的队列,javadoc中的注释如下:

线程池ForkJoinPool简介_第4张图片

大意是大多数操作都发生在工作窃取队列中(在嵌套类工作队列中)。这些是特殊形式的Deques,主要有pushpoppoll操作。

Deque是双端队列(double ended queue缩写),头部和尾部任何一端都可以进行插入,删除,获取的操作,即支持FIFO(队列)也支持LIFO(栈)顺序。

Deque接口的实现最常见的是LinkedList,除此还有ArrayDequeConcurrentLinkedDeque

工作窃取模式主要分以下几个步骤:

  1. 每个线程都有自己的双端队列
  2. 当调用fork方法时,将任务放进队列头部,线程以LIFO顺序,使用push/pop方式处理队列中的任务
  3. 如果自己队列里的任务处理完后,会从其他线程维护的队列尾部使用poll的方式窃取任务,以达到充分利用CPU资源的目的
  4. 从尾部窃取可以减少同原线程的竞争
  5. 当队列中剩最后一个任务时,通过cas解决原线程和窃取线程的竞争

流程大致如下所示:
线程池ForkJoinPool简介_第5张图片

工作窃取便是ForkJoinPool线程池的优势所在,在一般的线程池比如ThreadPoolExecutor中,如果一个线程正在执行的任务由于某种原因无法继续运行,那么该线程会处于等待状态,包括singleThreadPoolfixedThreadPoolcachedThreadPool这几种线程池。

而在ForkJoinPool中,那么线程会主动寻找其他尚未被执行的任务然后窃取过来执行,减少线程等待时间。

JDK8中的并行流(parallelStream)功能是基于ForkJoinPool实现的,另外还有java.util.concurrent.CompletableFuture异步回调future,内部使用的线程池也是ForkJoinPool。

文章来源:http://javakk.com/215.html

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