Java 中的 Fork/Join 框架是什麼？

1.什麼是Fork/Join框架？

Fork/Join 框架是 java.util.concurrent 套件的一部分，在 Java 7 中引入。它是為可以遞歸地劃分為更小的區塊的任務而設計的，其中每個區塊都可以被處理獨立。該框架遵循分而治之的原則，非常適合排序、搜尋和其他遞歸演算法等任務。

2. 實作 Fork/Join 框架

2.1 ForkJoin任務

ForkJoinTask 是可以在 Fork/Join 框架中執行的任務的基底類別。它提供了核心操作，允許任務派生新的子任務並在完成後添加它們。

範例：

import java.util.concurrent.RecursiveTask;

public class SumTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private final int[] arr;
    private final int start, end;

    public SumTask(int[] arr, int start, int end) {
        this.arr = arr;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        if (end - start <= 10) {
            int sum = 0;
            for (int i = start; i < end; i++) {
                sum += arr[i];
            }
            return sum;
        } else {
            int mid = (start + end) / 2;
            SumTask leftTask = new SumTask(arr, start, mid);
            SumTask rightTask = new SumTask(arr, mid, end);

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

            return leftResult + rightResult;
        }
    }
}

2.2 ForkJoinPool

ForkJoinPool 是管理工作執行緒池以執行 ForkJoinTask 實例的中心類別。它使用工作竊取演算法，透過將任務從繁忙線程重新分配到空閒線程來保持所有線程繁忙。

範例：

import java.util.concurrent.ForkJoinPool;

public class ForkJoinExample {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[100];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            arr[i] = i + 1;
        }

        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        SumTask task = new SumTask(arr, 0, arr.length);

        int result = pool.invoke(task);
        System.out.println("Sum: " + result);
    }
}

2.3 RecursiveTask 與 RecursiveAction

RecursiveTask 在任務傳回結果時使用，而 RecursiveAction 在任務不傳回任何結果時使用。

使用 RecursiveAction 的範例：

import java.util.concurrent.RecursiveAction;

public class PrintTask extends RecursiveAction {
    private final int[] arr;
    private final int start, end;

    public PrintTask(int[] arr, int start, int end) {
        this.arr = arr;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected void compute() {
        if (end - start <= 10) {
            for (int i = start; i < end; i++) {
                System.out.print(arr[i] + " ");
            }
            System.out.println();
        } else {
            int mid = (start + end) / 2;
            PrintTask leftTask = new PrintTask(arr, start, mid);
            PrintTask rightTask = new PrintTask(arr, mid, end);

            invokeAll(leftTask, rightTask);
        }
    }
}

2.4 演示和結果

執行ForkJoinExample將輸出陣列元素的總和。 Fork/Join 框架將任務劃分為較小的區塊並並行處理它們，顯示出顯著的效能改進，尤其是對於大型資料集。

例如，將 1 到 100 之間的數字相加：

Sum: 5050

對於 PrintTask ，框架分割數組列印任務，並行執行並同時輸出片段：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 
...

3. Fork/Join 框架的各個維度

3.1 Fork/Join的優點

• 效率：利用所有可用的CPU核心，從而加快任務執行速度。
• 可擴充性：可以透過將大型資料集分解為較小的、可管理的任務來處理它們。
• 工作竊取：透過將任務從過載執行緒重新分配到空閒執行緒來保持所有執行緒忙碌。

3.2 Fork/Join 的缺點

• 複雜性：需要仔細設計和理解並行性，這會增加程式碼複雜性。
• 開銷：分叉和加入任務具有固有的開銷，這對於較小的任務可能沒有好處。
• 偵錯：由於執行緒執行的不確定性，並行任務可能很難除錯。

3.3 何時使用 Fork/Join

• 大型遞歸問題：當您的任務自然地分為較小的子任務時，例如排序、搜尋和矩陣乘法。
• 1
• CPU 密集型操作：需要密集 CPU 運算並且可以從並行執行中受益的任務。

4. 結論

Fork/Join 框架是 Java 中用於最佳化平行處理任務的強大工具。它擅長將任務分解為更小的子任務，獨立執行，然後組合以產生最終結果的場景。雖然它帶來了複雜性，但多核心環境中的效能優勢通常大於其缺點，使其成為解決 CPU 限制和大型遞歸問題的絕佳選擇。

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