Java并发编程之Fork/Join

核心组件

  1. ForkJoinPool
  2. ForkJoinTask
    表示可并行执行的任务。它有两个常用子类:
    • RecursiveTask:用于有返回值的任务。
    • RecursiveAction:用于无返回值的任务。

原理

  1. 任务拆分(Fork)
    当一个大任务提交到 ForkJoinPool 后,框架会判断任务是否足够小。如果任务规模过大,则将其拆分成多个更小的子任务。这个拆分过程通常是递归的,直到子任务规模足够小,可以直接计算。

  2. 并行执行
    拆分后的小任务被提交到 ForkJoinPool 中的工作线程中并行执行。由于采用了工作窃取算法,即使某些线程任务执行完毕,空闲的线程也可以“窃取”其他线程的子任务,进一步提高并行度。

  3. 结果合并(Join)
    每个子任务完成后,其结果会返回给父任务,父任务将这些子任务的结果进行合并,最终返回整个大任务的计算结果。


示例代码

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

// 定义一个简单的任务,用于计算数组中某个区间的和
public class SimpleSum extends RecursiveTask<Integer> {
    private int[] nums;    // 数组数据
    private int start;     // 起始下标(包含)
    private int end;       // 结束下标(不包含)
    
    // 拆分任务的阈值,区间长度小于或等于这个值时直接计算
    private static final int THRESHOLD = 5;
    
    public SimpleSum(int[] nums, int start, int end) {
        this.nums = nums;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }
    
    @Override
    protected Integer compute() {
        // 当任务足够小时直接计算
        if (end - start <= THRESHOLD) {
            int sum = 0;
            for (int i = start; i < end; i++) {
                sum += nums[i];
            }
            return sum;
        } else {
            // 否则,拆分任务为左右两部分
            int mid = (start + end) / 2;
            SimpleSum leftTask = new SimpleSum(nums, start, mid);
            SimpleSum rightTask = new SimpleSum(nums, mid, end);
            
            // 异步执行左边任务
            leftTask.fork();
            // 直接计算右边任务
            int rightResult = rightTask.compute();
            // 等待左边任务完成并合并结果
            int leftResult = leftTask.join();
            
            return leftResult + rightResult;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化一个包含 1 到 20 的数组
        int[] nums = new int[20];
        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            nums[i] = i + 1;
        }
        
        // 创建 ForkJoinPool 并提交任务
        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        SimpleSum task = new SimpleSum(nums, 0, nums.length);
        int result = pool.invoke(task);
        
        System.out.println("数组的总和为:" + result);
    }
}

说明

  • 任务拆分
    当计算区间长度大于THRESHOLD时,任务会被拆分成两个子任务:左半部分和右半部分。

  • Fork 与 Join

  • 结果合并
    每个任务返回其计算结果,父任务通过合并这些结果来得到整个数组的总和。


说明

在任务拆分的代码中,我们通常会这样写:

leftTask.fork();                   // 将左边任务异步提交到线程池
int rightResult = rightTask.compute();  // 当前线程直接计算右边任务
int leftResult = leftTask.join();         // 等待左边任务执行完毕并获取结果
return leftResult + rightResult;

这种模式的好处是:

  • 当前线程在等待 fork 的任务完成之前,能够充分利用 CPU 直接计算 rightTask,从而减少任务调度开销;
  • 能够提高整体性能,因为避免了额外的任务提交和线程切换。

可以同时调用 rightTask.fork() 吗?

从技术上讲,你可以这样写:

leftTask.fork();
rightTask.fork();
int leftResult = leftTask.join();
int rightResult = rightTask.join();
return leftResult + rightResult;

这样做会将两个子任务都异步提交给线程池,然后当前线程等待这两个任务执行完毕。然而,这种方式并不一定能带来性能上的优势,因为:

  • 当前线程在调用 join() 前没有实际参与计算,可能导致线程空闲;
  • 如果线程池中的线程资源有限,过多的任务调度可能增加额外开销。
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