并发编程基础-分支合并与异步回调
# 分支合并与异步回调
# 1. Fork/Join分之合并框架
# 1.1 Fork/Join 框架简介
Fork/Join 它可以将一个大的任务拆分成多个子任务进行并行处理,最后将子任务结果合并成最后的计算结果,并进行输出。Fork/Join 框架要完成两件事情:
Fork:把一个复杂任务进行分拆,大事化小
Join:把分拆任务的结果进行合并
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任务分割:首先 Fork/Join 框架需要把大的任务分割成足够小的子任务,如果子任务比较大的话还要对子任务进行继续分割
执行任务并合并结果:分割的子任务分别放到双端队列里,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放在另外一个队列里,启动一个线程从队列里取数据,然后合并这些数据。
在 Java 的 Fork/Join 框架中,使用两个类完成上述操作
ForkJoinTask
:我们要使用 Fork/Join 框架,首先需要创建一个 ForkJoin 任务。该类提供了在任务中执行 fork 和 join 的机制。通常情况下我们不需要直接集成 ForkJoinTask 类,只需要继承它的子类,Fork/Join 框架提供了两个子类:RecursiveAction
:用于没有返回结果的任务RecursiveTask
:用于有返回结果的任务
ForkJoinPool
:ForkJoinTask 需要通过 ForkJoinPool 来执行RecursiveTask
: 继承后可以实现递归(自己调自己)调用的任务
Fork/Join 框架的实现原理
ForkJoinPool 由 ForkJoinTask 数组和 ForkJoinWorkerThread 数组组成,ForkJoinTask 数组负责将存放以及将程序提交给 ForkJoinPool,而ForkJoinWorkerThread 负责执行这些任务。
# 1.2 Fork方法
ForkJoinPool (opens new window) java.util.concurrent
ForkJoinTask (opens new window) java.util.concurrent
RecursiveTask (opens new window) java.util.concurrent
class Fibonacci extends RecursiveTask<Integer> {
final int n;
Fibonacci(int n) {
this.n = n;
}
Integer compute() {
if (n <= 1) return n;
Fibonacci f1 = new Fibonacci(n - 1);
f1.fork();
Fibonacci f2 = new Fibonacci(n - 2);
return f2.compute() + f1.join();
}
}
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Fork 方法的实现原理: 当我们调用ForkJoinTask
的fork
方法时,程序会把任务放在ForkJoinWorkerThread
的pushTask
的 workQueue 中,异步地执行这个任务,然后立即返回结果。
public final ForkJoinTask<V> fork() {
Thread t;
if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread)
((ForkJoinWorkerThread)t).workQueue.push(this);
else
ForkJoinPool.common.externalPush(this);
return this;
}
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pushTask 方法把当前任务存放在ForkJoinTask
数组队列里。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:
final void push(ForkJoinTask<?> task) {
ForkJoinTask<?>[] a; ForkJoinPool p;
int b = base, s = top, n;
if ((a = array) != null) { // ignore if queue removed
int m = a.length - 1; // fenced write for task visibility
U.putOrderedObject(a, ((m & s) << ASHIFT) + ABASE, task);
U.putOrderedInt(this, QTOP, s + 1);
if ((n = s - b) <= 1) {
if ((p = pool) != null)
p.signalWork(p.workQueues, this); // 执行
}
else if (n >= m)
growArray();
}
}
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# 1.3 Join 方法
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:
public final V join() {
int s;
if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
reportException(s);
return getRawResult();
}
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它首先调用 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 4 种:
- 已完成(NORMAL)
- 被取消(CANCELLED)
- 信号(SIGNAL)
- 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
doJoin 方法的实现
private int doJoin() {
int s; Thread t; ForkJoinWorkerThread wt; ForkJoinPool.WorkQueue w;
return (s = status) < 0 ? s :
((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) ?
(w = (wt = (ForkJoinWorkerThread)t).workQueue).
tryUnpush(this) && (s = doExec()) < 0 ? s :
wt.pool.awaitJoin(w, this, 0L) :
externalAwaitDone();
}
final int doExec() {
int s; boolean completed;
if ((s = status) >= 0) {
try {
completed = exec();
} catch (Throwable rex) {
return setExceptionalCompletion(rex);
}
if (completed)
s = setCompletion(NORMAL);
}
return s;
}
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在 doJoin()方法流程如下:
首先通过查看任务的状态,看任务是否已经执行完成,如果执行完成,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,则设置任务状态为
NORMAL
,如果出现异常,则记录异常,并将任务状态设置为EXCEPTIONAL
。
# 1.3 Fork/Join 框架的异常处理
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。
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。
# 1.4 示例
场景: 生成一个计算任务,计算 1+2+3.........+1000, 每 100 个数切分一个子任务。
点击查看
class MyTask extends RecursiveTask<Integer> {
//拆分差值不能超过10,计算10以内运算
private static final Integer VALUE = 10;
private int begin ;//拆分开始值
private int end;//拆分结束值
private int result ; //返回结果
//创建有参数构造
public MyTask(int begin,int end) {
this.begin = begin;
this.end = end;
}
//拆分和合并过程
@Override
protected Integer compute() {
//判断相加两个数值是否大于10
if((end-begin)<=VALUE) {
//相加操作
for (int i = begin; i <=end; i++) {
result = result+i;
}
} else {//进一步拆分
//获取中间值
int middle = (begin+end)/2;
//拆分左边
MyTask task01 = new MyTask(begin,middle);
//拆分右边
MyTask task02 = new MyTask(middle+1,end);
//调用方法拆分
task01.fork();
task02.fork();
//合并结果
result = task01.join()+task02.join();
}
return result;
}
}
public class ForkJoinDemo {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
//创建MyTask对象
MyTask myTask = new MyTask(0,100);
//创建分支合并池对象
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
ForkJoinTask<Integer> forkJoinTask = forkJoinPool.submit(myTask);
//获取最终合并之后结果
Integer result = forkJoinTask.get();
System.out.println(result);
//关闭池对象
forkJoinPool.shutdown();
}
}
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结果:
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# 2. CompletableFuture 异步回调
# 2.1 CompletableFuture 简介
CompletableFuture
在 Java 里面被用于异步编程
,异步通常意味着非阻塞,可以使得我们的任务单独运行在与主线程分离的其他线程中,并且通过回调可以在主线程中得到异步任务的执行状态,是否完成,和是否异常等信息。CompletableFuture 实现了 Future, CompletionStage 接口,实现了 Future接口就可以兼容现在有线程池框架,而 CompletionStage 接口才是异步编程的接口抽象,里面定义多种异步方法,通过这两者集合,从而打造出了强大的CompletableFuture 类。
# 2.2 Future 与 CompletableFuture
Futrue
在 Java 里面,通常用来表示一个异步任务的引用
,比如我们将任务提交到线程池里面,然后我们会得到一个 Futrue,在 Future 里面有 isDone 方法来 判断任务是否处理结束,还有 get 方法可以一直阻塞直到任务结束然后获取结果,但整体来说这种方式,还是同步的,因为需要客户端不断阻塞等待或者不断轮询才能知道任务是否完成。
Future 的主要缺点如下:
- 不支持手动完成
我提交了一个任务,但是执行太慢了,我通过其他路径已经获取到了任务结果,现在没法把这个任务结果通知到正在执行的线程,所以必须主动取消或者一直等待它执行完成
- 不支持进一步的非阻塞调用
通过 Future 的 get 方法会一直阻塞到任务完成,但是想在获取任务之后执行额外的任务,因为 Future 不支持回调函数,所以无法实现这个功能
- 不支持链式调用
对于 Future 的执行结果,我们想继续传到下一个Future处理使用,从而形成一个链式的 pipline 调用,这在Future中是没法实现的。
- 不支持多个 Future 合并
比如我们有10个 Future 并行执行,我们想在所有的Future运行完毕之后,执行某些函数,是没法通过Futur 实现的。
- 不支持异常处理
Future 的 API 没有任何的异常处理的 api,所以在异步运行时,如果出了问题是不好定位的。
# 2.3 CompletableFuture 入门
# 使用CompletableFuture
主线程里面创建一个 CompletableFuture,然后主线程调用 get 方法会阻塞,最后我们在一个子线程中使其终止
/**
* 主线程里面创建一个 CompletableFuture,然后主线程调用 get 方法会阻塞,最后我们
* 在一个子线程中使其终止
*
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
CompletableFuture<String> future = new CompletableFuture<>();
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "子线程开始干活");
//子线程睡 5 秒
Thread.sleep(5000);
//在子线程中完成主线程
future.complete("success");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}, "A").start();
//主线程调用 get 方法阻塞
System.out.println("主线程调用 get 方法获取结果为: " + future.get());
System.out.println("主线程完成,阻塞结束!!!!!!");
}
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# 没有返回值的异步任务
/**
* 没有返回值的异步任务
*
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("主线程开始");
//运行一个没有返回值的异步任务
CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
try {
System.out.println("子线程启动干活");
Thread.sleep(5000);
System.out.println("子线程完成");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
});
//主线程阻塞
future.get();
System.out.println("主线程结束");
}
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# 有返回值的异步任务
/**
* 没有返回值的异步任务
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception{
System.out.println("主线程开始");
//运行一个有返回值的异步任务
CompletableFuture<String> future =
CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
System.out.println("子线程开始任务");
Thread.sleep(5000);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return "子线程完成了!";
});
//主线程阻塞
String s = future.get();
System.out.println("主线程结束, 子线程的结果为:" + s);
}
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# 线程依赖
当一个线程依赖另一个线程时,可以使用 thenApply 方法来把这两个线程串行化。
private static Integer num = 10;
/**
* 先对一个数加 10,然后取平方
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("主线程开始");
CompletableFuture<Integer> future =
CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
System.out.println("加 10 任务开始");
num += 10;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return num;
}).thenApply(integer -> {
return num * num;
});
Integer integer = future.get();
System.out.println("主线程结束, 子线程的结果为:" + integer);
}
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# 消费处理结果
thenAccept 消费处理结果, 接收任务的处理结果,并消费处理,无返回结果。
public static void main(String[] args) throws Exception{
System.out.println("主线程开始");
CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
System.out.println("加 10 任务开始");
num += 10;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return num;
}).thenApply(integer -> {
return num * num;
}).thenAccept(new Consumer<Integer>() {
@Override
public void accept(Integer integer) {
System.out.println("子线程全部处理完成,最后调用了 accept,结果为:" +
integer);
}
});
}
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# 异常处理
exceptionally 异常处理,出现异常时触发
public static void main(String[] args) throws Exception{
System.out.println("主线程开始");
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
int i= 1/0;
System.out.println("加 10 任务开始");
num += 10;
return num;
}).exceptionally(ex -> {
System.out.println(ex.getMessage());
return -1;
});
System.out.println(future.get());
}
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handle 类似于 thenAccept/thenRun 方法,是最后一步的处理调用,但是同时可以处理异常
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("主线程开始");
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
System.out.println("加 10 任务开始");
num += 10;
return num;
}).handle((i, ex) -> {
System.out.println("进入 handle 方法");
if (ex != null) {
System.out.println("发生了异常,内容为:" + ex.getMessage());
return -1;
} else {
System.out.println("正常完成,内容为: " + i);
return i;
}
});
System.out.println(future.get());
}
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# 结果合并
thenCompose 合并两个有依赖关系的 CompletableFutures 的执行结果
public static void main(String[] args) throws Exception{
System.out.println("主线程开始");
//第一步加 10
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
System.out.println("加 10 任务开始");
num += 10;
return num;
});
//合并
CompletableFuture<Integer> future1 = future.thenCompose(i ->
//再来一个 CompletableFuture
CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
return i + 1;
}));
System.out.println(future.get());
System.out.println(future1.get());
}
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thenCombine 合并两个没有依赖关系的 CompletableFutures 任务
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("主线程开始");
CompletableFuture<Integer> job1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
System.out.println("加 10 任务开始");
num += 10;
return num;
});
CompletableFuture<Integer> job2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
System.out.println("乘以 10 任务开始");
num = num * 10;
return num;
});
//合并两个结果
CompletableFuture<Object> future = job1.thenCombine(job2, new
BiFunction<Integer, Integer, List<Integer>>() {
@Override
public List<Integer> apply(Integer a, Integer b) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(a);
list.add(b);
return list;
}
});
System.out.println("合并结果为:" + future.get());
}
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合并多个任务的结果 allOf 与 anyOf
allOf: 一系列独立的 future 任务,等其所有的任务执行完后做一些事情
/**
* 先对一个数加 10,然后取平方
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception{
System.out.println("主线程开始");
List<CompletableFuture> list = new ArrayList<>();
CompletableFuture<Integer> job1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
System.out.println("加 10 任务开始");
num += 10;
return num;
});
list.add(job1);
CompletableFuture<Integer> job2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
System.out.println("乘以 10 任务开始");
num = num * 10;
return num;
});
list.add(job2);
CompletableFuture<Integer> job3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
System.out.println("减以 10 任务开始");
num = num * 10;
return num;
});
list.add(job3);
CompletableFuture<Integer> job4 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
System.out.println("除以 10 任务开始");
num = num * 10;
return num;
});
list.add(job4);
//多任务合并
List<Integer> collect =
list.stream().map(CompletableFuture<Integer>::join).collect(Collectors.toList());
System.out.println(collect);
}
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anyOf: 只要在多个 future 里面有一个返回,整个任务就可以结束,而不需要等到每一个future 结束
/**
* 先对一个数加 10,然后取平方
*
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("主线程开始");
CompletableFuture<Integer>[] futures = new CompletableFuture[4];
CompletableFuture<Integer> job1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(5000);
System.out.println("加 10 任务开始");
num += 10;
return num;
} catch (Exception e) {
return 0;
}
});
futures[0] = job1;
CompletableFuture<Integer> job2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(2000);
System.out.println("乘以 10 任务开始");
num = num * 10;
return num;
} catch (Exception e) {
return 1;
}
});
futures[1] = job2;
CompletableFuture<Integer> job3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(3000);
System.out.println("减以 10 任务开始");
num = num * 10;
return num;
} catch (Exception e) {
return 2;
}
});
futures[2] = job3;
CompletableFuture<Integer> job4 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(4000);
System.out.println("除以 10 任务开始");
num = num * 10;
return num;
} catch (Exception e) {
return 3;
}
});
futures[3] = job4;
CompletableFuture<Object> future = CompletableFuture.anyOf(futures);
System.out.println(future.get());
}
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