ForkJoinPool原理及源码解析

# 1. 引言

## 1.1 什么是ForkJoinPool

ForkJoinPool是Java中的一个线程池实现，它特别适用于处理递归的任务分解。它是Java 7中新增的并发框架之一，基于Fork-Join思想实现了任务的自动拆分和合并，并通过工作窃取算法来使得各个工作线程相对均衡地执行任务。ForkJoinPool的设计目标是提供一种高效的方式来利用多核CPU处理任务的并行计算。

## 1.2 ForkJoinPool的应用场景

ForkJoinPool主要用于解决那些可以被拆分成小任务且具有递归结构的问题。比如，在并行计算、数据并行处理、图像处理、大规模并行搜索等领域，ForkJoinPool都可以发挥出很大的作用。它可以降低任务拆分与合并的开销，充分利用计算资源，提高程序的执行效率和性能。

下面我们将详细介绍ForkJoinPool的基本原理和核心类结构。

# 2. ForkJoinPool的基本原理

ForkJoinPool是Java中用于实现任务并行处理的线程池。它基于分治思想和工作窃取算法，能够高效地处理任务的划分和执行。本章将详细介绍ForkJoinPool的基本原理。

### 2.1 分治思想

分治是一种常见的算法设计方法，它将一个大问题划分为若干个小问题，然后分别解决这些小问题，最后将所有的解组合在一起得到整体的解。在ForkJoinPool中，采用的就是这种分治思想。

具体而言，ForkJoinPool将待执行的任务划分为更小的子任务，每个子任务由不同的线程独立执行。当子任务继续被划分成更小的子任务时，线程会将部分任务交由其他空闲线程来执行，实现任务的并行处理。

### 2.2 工作窃取算法

工作窃取算法是ForkJoinPool中的核心算法，专门用于解决任务划分不均匀导致的线程负载不平衡问题。在ForkJoinPool中，每个线程都维护着一个双端队列，用于存放待执行的任务。

当一个工作线程完成了自己分配的任务后，它会尝试从其他线程的队列末尾窃取一个任务进行执行。这种方式可以提高线程的利用率，并且减少了线程之间的竞争，从而提升了整个系统的性能。

### 2.3 ForkJoinTask的执行流程

在ForkJoinPool中，任务由ForkJoinTask表示，它是一个抽象类，可以通过继承它来实现具体的任务。

ForkJoinTask的执行流程主要分为以下几步：
1. 当一个任务需要执行时，线程池调用`ForkJoinTask`的`fork()`方法将该任务分解成更小的子任务。
2. 如果当前线程有空闲，它会直接执行子任务；否则，它会将子任务放入自己的任务队列中等待执行。
3. 当一个任务执行完毕后，会通过`compute()`方法返回结果。
4. 如果任务是由`fork()`方法创建的子任务，则调用`join()`方法等待子任务执行完毕并获得结果。
5. 如果任务被取消或出现异常，将通过`completeExceptionally()`方法将异常传播给调用者。

总的来说，ForkJoinPool的基本原理是将大任务划分为小任务，并通过工作窃取算法来实现任务的并行执行。通过合理的任务划分和线程利用，可以提高系统的处理能力和效率。在下一章节中，我们将详细介绍ForkJoinPool的核心类结构。

# 3. ForkJoinPool的核心类结构

在ForkJoinPool中，有几个核心的类结构，分别是ForkJoinPool类、ForkJoinWorkerThread类和ForkJoinTask类。

#### 3.1 ForkJoinPool类

ForkJoinPool是ForkJoin框架的核心类，它实现了基于工作窃取算法的线程池。下面是ForkJoinPool类的代码示例：

public class ForkJoinPool extends AbstractExecutorService {
    // ...

    public ForkJoinPool() {
        this(defaultForkJoinWorkerThreadFactory, null, false, MAX_CAP, DEFAULT_SYNC, null, false);
    }

    public ForkJoinPool(int parallelism) {
        this (defaultForkJoinWorkerThreadFactory, null, false, parallelism, DEFAULT_SYNC, null, false);
    }

    // ...
}

上述代码是ForkJoinPool类的部分构造方法，我们可以看到，ForkJoinPool可以使用默认的配置创建，也可以指定并行度（parallelism）来创建。默认情况下，并行度等于CPU的核心数。

ForkJoinPool类继承自AbstractExecutorService类，因此它可以作为一个ExecutorService使用。它提供了一系列的submit方法来提交任务，如submit(ForkJoinTask<?> task)、submit(Callable<T> task)、submit(Runnable task, T result)等。

此外，ForkJoinPool还提供了一些方法来管理线程池的运行状态，如shutdown()、isShutdown()、isTerminated()等。

#### 3.2 ForkJoinWorkerThread类

ForkJoinWorkerThread类是ForkJoinPool中的工作线程类，它继承自Thread类，并实现了Runnable接口。每个ForkJoinWorkerThread都代表了ForkJoinPool中的一个工作线程。

下面是ForkJoinWorkerThread类的部分代码示例：

protected ForkJoinWorkerThread(ForkJoinPool pool) {
    this.pool = pool;
}

@Override
public void run() {
    runWorker(pool);
}

private void runWorker(ForkJoinPool pool) {
    // ...
}

// ...

在ForkJoinWorkerThread类中，r