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Java 中的 Fork/Join 框架是什么?

Aug 30, 2024 am 06:03 AM

What is Fork/Join Framework in Java?

1.什么是Fork/Join框架?

Fork/Join 框架是 java.util.concurrent 包的一部分,在 Java 7 中引入。它是为可以递归地划分为更小的块的任务而设计的,其中每个块都可以被处理独立。该框架遵循分而治之的原则,非常适合排序、搜索和其他递归算法等任务。

2. 实现 Fork/Join 框架

2.1 ForkJoin任务

ForkJoinTask 是可以在 Fork/Join 框架内运行的任务的基类。它提供了核心操作,允许任务派生新的子任务并在完成后加入它们。

示例:

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;
        }
    }
}
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2.2 ForkJoinPool

ForkJoinPool 是管理工作线程池以执行 ForkJoinTask 实例的中心类。它使用工作窃取算法,通过将任务从繁忙线程重新分配到空闲线程来保持所有线程繁忙。

示例:

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);
    }
}
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2.3 RecursiveTask 与 RecursiveAction

RecursiveTask 在任务返回结果时使用,而 RecursiveAction 在任务不返回任何结果时使用。

使用 RecursiveAction 的示例:

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);
        }
    }
}
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2.4 演示和结果

运行ForkJoinExample将输出数组元素的总和。 Fork/Join 框架将任务划分为更小的块并并行处理它们,显示出显着的性能改进,尤其是对于大型数据集。

例如,将 1 到 100 之间的数字相加:

Sum: 5050
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对于 PrintTask ,框架划分数组打印任务,并行执行并同时输出片段:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 
...
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3. Fork/Join 框架的各个维度

3.1 Fork/Join的优点

  • 效率:利用所有可用的CPU核心,从而加快任务执行速度。
  • 可扩展性:可以通过将大型数据集分解为更小的、可管理的任务来处理它们。
  • 工作窃取:通过将任务从过载线程重新分配到空闲线程来保持所有线程忙碌。

3.2 Fork/Join 的缺点

  • 复杂性:需要仔细设计和理解并行性,这会增加代码复杂性。
  • 开销:分叉和加入任务具有固有的开销,这对于较小的任务可能没有好处。
  • 调试:由于线程执行的不确定性,并行任务可能很难调试。

3.3 何时使用 Fork/Join

  • 大型递归问题:当您的任务自然地分为较小的子任务时,例如排序、搜索和矩阵乘法。
  • 1
  • CPU 密集型操作:需要密集 CPU 计算并可以从并行执行中受益的任务。

4. 结论

Fork/Join 框架是 Java 中用于优化并行处理任务的强大工具。它擅长将任务分解为更小的子任务,独立执行,然后组合以产生最终结果的场景。虽然它带来了复杂性,但多核环境中的性能优势通常大于其缺点,使其成为解决 CPU 限制和大型递归问题的绝佳选择。

阅读更多帖子:什么是 Java 中的 Fork/Join 框架?

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