了解ForkJoin框架

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@小白创作中心

了解ForkJoin框架

引用

CSDN

https://m.blog.csdn.net/kaka_buka/article/details/139785231

Fork/Join框架是Java 7引入的一种并行处理框架，用于有效地利用多处理器系统的计算资源。该框架通过将大任务拆分成多个子任务，并行处理这些子任务，最终将子任务的结果合并，以提高程序的执行效率。本文将介绍Fork/Join框架的基本概念、工作原理及其应用场景。

基本概念

Fork/Join框架简介

Fork/Join框架是一个工作窃取算法（Work-Stealing Algorithm）实现。它主要包括两个核心类：ForkJoinPool和ForkJoinTask。

ForkJoinPool ：是任务执行的线程池，管理并调度多个任务。
ForkJoinTask ：是任务的基本单位，分为RecursiveTask和RecursiveAction。其中，RecursiveTask用于有返回值的任务，RecursiveAction用于无返回值的任务。

工作原理

Fork/Join框架的核心思想是“分而治之”，具体步骤如下：

任务分割（Fork） ：将大任务分割成若干个可以独立执行的小任务。
任务执行 ：将分割后的小任务并行执行。
结果合并（Join） ：将所有子任务的执行结果合并，得到最终结果。

在Fork/Join框架中，每个工作线程维护一个双端队列（Deque），用于存储需要执行的任务。工作线程优先处理自己的任务队列，当自己的队列为空时，会从其他线程的队列中窃取任务，以保持线程的高利用率。

使用示例

计算斐波那契数列

以下是一个使用Fork/Join框架计算斐波那契数列的示例：

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

public class FibonacciTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private final int n;

    public FibonacciTask(int n) {
        this.n = n;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        if (n <= 1) {
            return n;
        }

        FibonacciTask f1 = new FibonacciTask(n - 1);
        f1.fork(); // 分叉子任务
        FibonacciTask f2 = new FibonacciTask(n - 2);
        
        return f2.compute() + f1.join(); // 合并结果
    }

    public static void main(String[] args) {
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        FibonacciTask task = new FibonacciTask(30);
        int result = pool.invoke(task);
        System.out.println("Fibonacci number is " + result);
    }
}

并行归并排序

以下是一个使用Fork/Join框架实现的并行归并排序的示例：

import java.util.concurrent.RecursiveAction;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;

public class MergeSortTask extends RecursiveAction {
    private final int[] array;
    private final int left;
    private final int right;

    public MergeSortTask(int[] array, int left, int right) {
        this.array = array;
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    protected void compute() {
        if (left < right) {
            int middle = (left + right) / 2;

            // 分割任务
            MergeSortTask leftTask = new MergeSortTask(array, left, middle);
            MergeSortTask rightTask = new MergeSortTask(array, middle + 1, right);

            invokeAll(leftTask, rightTask); // 并行执行子任务

            merge(left, middle, right); // 合并结果
        }
    }

    private void merge(int left, int middle, int right) {
        int[] temp = new int[right - left + 1];
        int i = left, j = middle + 1, k = 0;

        while (i <= middle && j <= right) {
            if (array[i] <= array[j]) {
                temp[k++] = array[i++];
            } else {
                temp[k++] = array[j++];
            }
        }

        while (i <= middle) {
            temp[k++] = array[i++];
        }

        while (j <= right) {
            temp[k++] = array[j++];
        }

        System.arraycopy(temp, 0, array, left, temp.length);
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {38, 27, 43, 3, 9, 82, 10};
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        MergeSortTask task = new MergeSortTask(array, 0, array.length - 1);
        pool.invoke(task);
        for (int num : array) {
            System.out.print(num + " ");
        }
    }
}