1.什麼是Fork/Join架構
Fork/Join架構是Java7提供了的一個用于并行執行任務的架構， 是一個把大任務分割成若幹個小任務，最終彙總每個小任務結果後得到大任務結果的架構。
我們再通過Fork和Join這兩個單詞來了解下Fork/Join架構，Fork就是把一個大任務切分為若幹子任務并行的執行，Join就是合并這些子任務的執行結果，最後得到這個大任務的結果。比如計算1+2+。。＋10000，可以分割成10個子任務，每個子任務分别對1000個數進行求和，最終彙總這10個子任務的結果。Fork/Join的運作流程圖如下：
2.工作竊取算法
工作竊取（work-stealing）算法是指某個線程從其他隊列裡竊取任務來執行。工作竊取的運作流程圖如下：
那麼為什麼需要使用工作竊取算法呢？假如我們需要做一個比較大的任務，我們可以把這個任務分割為若幹互不依賴的子任務，為了減少線程間的競争，于是把這些子任務分别放到不同的隊列裡，并為每個隊列建立一個單獨的線程來執行隊列裡的任務，線程和隊列一一對應，比如A線程負責處理A隊列裡的任務。但是有的線程會先把自己隊列裡的任務幹完，而其他線程對應的隊列裡還有任務等待處理。幹完活的線程與其等着，不如去幫其他線程幹活，于是它就去其他線程的隊列裡竊取一個任務來執行。而在這時它們會通路同一個隊列，是以為了減少竊取任務線程和被竊取任務線程之間的競争，通常會使用雙端隊列，被竊取任務線程永遠從雙端隊列的頭部拿任務執行，而竊取任務的線程永遠從雙端隊列的尾部拿任務執行。
工作竊取算法的優點是充分利用線程進行并行計算，并減少了線程間的競争，其缺點是在某些情況下還是存在競争，比如雙端隊列裡隻有一個任務時。并且消耗了更多的系統資源，比如建立多個線程和多個雙端隊列。
3.Fork/Join架構的介紹
我們已經很清楚Fork/Join架構的需求了，那麼我們可以思考一下，如果讓我們來設計一個Fork/Join架構，該如何設計？這個思考有助于你了解Fork/Join架構的設計。
第一步分割任務。首先我們需要有一個fork類來把大任務分割成子任務，有可能子任務還是很大，是以還需要不停的分割，直到分割出的子任務足夠小。
第二步執行任務并合并結果。分割的子任務分别放在雙端隊列裡，然後幾個啟動線程分别從雙端隊列裡擷取任務執行。子任務執行完的結果都統一放在一個隊列裡，啟動一個線程從隊列裡拿資料，然後合并這些資料。
Fork/Join使用兩個類來完成以上兩件事情（類圖如上）：
ForkJoinTask：我們要使用ForkJoin架構，必須首先建立一個ForkJoin任務。它提供在任務中執行fork()和join()操作的機制，通常情況下我們不需要直接繼承ForkJoinTask類，而隻需要繼承它的子類，Fork/Join架構提供了以下兩個子類：
RecursiveAction：用于沒有傳回結果的任務。
RecursiveTask ：用于有傳回結果的任務。
ForkJoinPool ：ForkJoinTask需要通過ForkJoinPool來執行，任務分割出的子任務會添加到目前工作線程所維護的雙端隊列中，進入隊列的頭部。當一個工作線程的隊列裡暫時沒有任務時，它會随機從其他工作線程的隊列的尾部擷取一個任務。
4.使用Fork/Join架構
讓我們通過一個簡單的需求來使用下Fork／Join架構，需求是：計算1+2+3+4的結果。
使用Fork／Join架構首先要考慮到的是如何分割任務，如果我們希望每個子任務最多執行兩個數的相加，那麼我們設定分割的門檻值是2，由于是4個數字相加，是以Fork／Join架構會把這個任務fork成兩個子任務，子任務一負責計算1+2，子任務二負責計算3+4，然後再join兩個子任務的結果。
因為是有結果的任務，是以必須繼承RecursiveTask，實作代碼如下：
public class CountTask extends RecursiveTask<Integer>{
private static final int THRESHOLD=;//阙值
private int start;
private int end;
public CountTask(int start,int end){
this.start=start;
this.end=end;
}
@Override
protected Integer compute() {
int sum=;
//如果任務足夠小就計算任務
boolean canCompute=(end-start)<=THRESHOLD;
if(canCompute){
for (int i = start; i <= end; i++) {
sum+=i;
}
}else {
//如果任務大于阙值，就分裂成兩個子任務計算
int middle=(start+end)/;
CountTask leftTask=new CountTask(start,middle);
CountTask rightTask=new CountTask(middle+,end);
//執行子任務
leftTask.fork();
rightTask.fork();
//等待子任務執行完，并得到其結果
int leftResult = leftTask.join();
int rightResult = rightTask.join();
sum=leftResult + rightResult;
}
return sum;
}
}
public class ForkJoinTest {
public static void main(String[] args) {
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
//生成一個計算任務，負責計算1+2+3+4
CountTask task = new CountTask(, );
//執行一個任務
Future<Integer> submitResult = forkJoinPool.submit(task);
try {
System.out.println(submitResult.get());//10
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
通過這個例子讓我們再來進一步了解ForkJoinTask，ForkJoinTask與一般的任務的主要差別在于它需要實作compute方法，在這個方法裡，首先需要判斷任務是否足夠小，如果足夠小就直接執行任務。如果不足夠小，就必須分割成兩個子任務，每個子任務在調用fork方法時，又會進入compute方法，看看目前子任務是否需要繼續分割成孫任務，如果不需要繼續分割，則執行目前子任務并傳回結果。使用join方法會等待子任務執行完并得到其結果。
5.Fork/Join架構的異常處理
ForkJoinTask在執行的時候可能會抛出異常，但是我們沒辦法在主線程裡直接捕獲異常，是以ForkJoinTask提供了isCompletedAbnormally()方法來檢查任務是否已經抛出異常或已經被取消了，并且可以通過ForkJoinTask的getException方法擷取異常。使用如下代碼：
if(task.isCompletedAbnormally())
{
System.out.println(task.getException());
}
getException方法傳回Throwable對象，如果任務被取消了則傳回CancellationException。如果任務沒有完成或者沒有抛出異常則傳回null。
6.Fork/Join架構的實作原理
ForkJoinPool由ForkJoinTask數組和ForkJoinWorkerThread數組組成，ForkJoinTask數組負責存放程式送出給ForkJoinPool的任務，而ForkJoinWorkerThread數組負責執行這些任務。
ForkJoinTask的fork方法實作原理。當我們調用ForkJoinTask的fork方法時，程式會調用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法異步的執行這個任務，然後立即傳回結果。代碼如下：
public final ForkJoinTask fork() { ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()) .pushTask(this);
return this;
}
pushTask方法把目前任務存放在ForkJoinTask 數組queue裡。然後再調用ForkJoinPool的signalWork()方法喚醒或建立一個工作線程來執行任務。代碼如下：
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 - )) << ASHIFT) + ABASE;
UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t);
queueTop = s + ; // or use putOrderedInt
if ((s -= queueBase) <= )
pool.signalWork();
else if (s == m)
growQueue();
}
}
ForkJoinTask的join方法實作原理。Join方法的主要作用是阻塞目前線程并等待擷取結果。讓我們一起看看ForkJoinTask的join方法的實作，代碼如下：
public final V join() {
if (doJoin() != NORMAL)
return reportResult();
else
return getRawResult();
}
private V reportResult() {
int s; Throwable ex;
if ((s = status) == CANCELLED)
throw new CancellationException();
if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != null)
UNSAFE.throwException(ex);
return getRawResult();
}
首先，它調用了doJoin()方法，通過doJoin()方法得到目前任務的狀态來判斷傳回什麼結果，任務狀态有四種：已完成（NORMAL），被取消（CANCELLED），信号（SIGNAL）和出現異常（EXCEPTIONAL）。
如果任務狀态是已完成，則直接傳回任務結果。
如果任務狀态是被取消，則直接抛出CancellationException。
如果任務狀态是抛出異常，則直接抛出對應的異常。
讓我們再來分析下doJoin()方法的實作代碼：
private int doJoin() {
Thread t; ForkJoinWorkerThread w; int s; boolean completed;
if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) {
if ((s = status) < )
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();
}
在doJoin()方法裡，首先通過檢視任務的狀态，看任務是否已經執行完了，如果執行完了，則直接傳回任務狀态，如果沒有執行完，則從任務數組裡取出任務并執行。如果任務順利執行完成了，則設定任務狀态為NORMAL，如果出現異常，則紀錄異常，并将任務狀态設定為EXCEPTIONAL。
ForkJoinPool 評論
貌似并非每個人都對 Java 7 裡的 ForkJoinPool 滿意：《一個 Java 分叉-合并 帶來的災禍》。
在你計劃在自己的項目裡使用 ForkJoinPool 之前最好讀一下該篇文章。
《一個 Java 分叉-合并 帶來的災禍》結論
F / J架構作為一個API缺乏
它缺乏“特征的好API”（Joshua Bloch）
作為應用服務，F / J架構嚴重不足
它隻能作為嵌入式伺服器使用，無需遠端對象通路，如RMI
僅推薦用于彙總資料操作。
隻有建議使用者具有非常大的資料結構（巨型陣列）
它僅适用于具有大量處理器的機器（推薦16+）
它一次隻對一個請求有用
它僅适用于嚴格有限的處理（推薦）
必須是平原（計算方法中的100到10000個基本計算步驟）
僅計算密集型代碼
沒有阻塞
沒有I / O
沒有同步
它沒有記錄或警報
它沒有錯誤/失速恢複
它無法顯示/更改目前的執行狀态
它依賴于學術正确性而不是可維護性
缺乏範圍
它的多任務是錯誤的
效率低下
它不能擴充到數百個處理器
複雜到難以了解的程度
沒有使用者手冊，隻是JavaDoc
F / J架構的微不足道的好處并不超過
這個實驗增加了非叉子加入使用者的Java™運作時間
開發人員希望與JDK1.8平行化軟體的限制
F / J架構是支撐研究論文而不是輕量級架構的不充分的學術實驗。它不屬于JDK。
參考以下文章整理而成：
一個 Java 分叉-合并 帶來的災禍
Fork/Join架構介紹