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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。
我们再通过 Fork 和 Join 这两个单词来理解下 Fork/Join 框架，Fork 就是把一个大任务切分为若干子任务并行的执行，Join 就是合并这些子任务的执行结果，最后得到这个大任务的结果。比如计算 1 +2+。。+10000，可以分割成 10 个子任务，每个子任务分别对 1000 个数进行求和，最终汇总这 10 个子任务的结果。Fork/Join 的运行流程图如下：
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。工作窃取的运行流程图如下：
那么为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。
我们已经很清楚 Fork/Join 框架的需求了，那么我们可以思考一下，如果让我们来设计一个 Fork/Join 框架，该如何设计？这个思考有助于你理解 Fork/Join 框架的设计。
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：
让我们通过一个简单的需求来使用下 Fork/Join 框架，需求是：计算 1 +2+3+ 4 的结果。
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两个数的相加，那么我们设置分割的阈值是 2，由于是 4 个数字相加，所以 Fork/Join 框架会把这个任务 fork 成两个子任务，子任务一负责计算 1 +2，子任务二负责计算 3 +4，然后再 join 两个子任务的结果。
因为是有结果的任务，所以必须继承 RecursiveTask，实现代码如下：
003 | importjava.util.concurrent.ExecutionException; |
|---|
005 | importjava.util.concurrent.ForkJoinPool; |
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007 | importjava.util.concurrent.Future; |
|---|
009 | importjava.util.concurrent.RecursiveTask; |
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011 | publicclassCountTaskextendsRecursiveTask { |
|---|
013 | privatestaticfinalintTHRESHOLD= `2;// 阈值 ` |
|---|
019 | publicCountTask(intstart,intend) { |
|---|
029 | protectedInteger compute() { |
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035 | booleancanCompute = (end-start) <=THRESHOLD; |
|---|
039 | for`(inti =start; i <=end; i++) {` |
|---|
047 | // 如果任务大于阀值，就分裂成两个子任务计算 |
|---|
049 | intmiddle = (start+end) / `2`; |
|---|
051 | CountTask leftTask =newCountTask(start, middle); |
|---|
053 | CountTask rightTask =newCountTask(middle + `1`,end); |
|---|
063 | intleftResult=leftTask.join(); |
|---|
065 | intrightResult=rightTask.join(); |
|---|
069 | sum = leftResult + rightResult; |
|---|
077 | publicstaticvoidmain(String[] args) { |
|---|
079 | ForkJoinPool forkJoinPool =newForkJoinPool(); |
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081 | // 生成一个计算任务，负责计算 1 +2+3+4 |
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083 | CountTask task =newCountTask(`1, 4`); |
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087 | Future result = forkJoinPool.submit(task); |
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091 | System.out.println(result.get()); |
|---|
093 | }`catch`(InterruptedException e) { |
|---|
095 | }`catch`(ExecutionException e) { |
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通过这个例子让我们再来进一步了解 ForkJoinTask，ForkJoinTask 与一般的任务的主要区别在于它需要实现 compute 方法，在这个方法里，首先需要判断任务是否足够小，如果足够小就直接执行任务。如果不足够小，就必须分割成两个子任务，每个子任务在调用 fork 方法时，又会进入 compute 方法，看看当前子任务是否需要继续分割成孙任务，如果不需要继续分割，则执行当前子任务并返回结果。使用 join 方法会等待子任务执行完并得到其结果。
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：
<pre>if(task.isCompletedAbnormally()){System.out.println(task.getException());}
</pre>
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。
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：
1 | public final ForkJoinTask fork() { |
|---|
2 | ((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()) |
|---|
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：
01 | final void pushTask(ForkJoinTask t) { |
|---|
02 | ForkJoinTask[] q; `int s, m;` |
|---|
03 | if ((q = queue) != `null) {// ignore if queue removed` |
|---|
04 | long u = (((s = queueTop) & (m = q.length - `1`)) << ASHIFT) + ABASE; |
|---|
05 | UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t); |
|---|
06 | queueTop = s + `1; // or use putOrderedInt` |
|---|
07 | if ((s -= queueBase) <= `2`) |
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ForkJoinTask 的 join 方法实现原理。Join 方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。让我们一起看看 ForkJoinTask 的 join 方法的实现，代码如下：
01 | public final V join() { |
|---|
02 | if (doJoin() != NORMAL) |
|---|
07 | private V reportResult() { |
|---|
09 | if ((s = status) == CANCELLED) |
|---|
10 | throw new CancellationException(); |
|---|
11 | if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != `null`) |
|---|
12 | UNSAFE.throwException(ex); |
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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：
02 | Thread t; ForkJoinWorkerThread w; `int s; booleancompleted;` |
|---|
03 | if ((t = Thread.currentThread()) `instanceof`ForkJoinWorkerThread) { |
|---|
04 | if ((s = status) < `0`) |
|---|
06 | if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(`this`)) { |
|---|
09 | } `catch (Throwable rex) {` |
|---|
10 | return setExceptionalCompletion(rex); |
|---|
13 | return setCompletion(NORMAL); |
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15 | return w.joinTask(`this`); |
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18 | return externalAwaitDone(); |
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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。
<pre name=”code”></pre>
