主流并发工具之ForkJoinPool

来源：http://wankunde.iteye.com/blog/1521042

ForkJoinPool 是 Java SE 7 新功能“分叉/结合框架”的核心类，现在可能乏人问津，但我觉得它迟早会成为主流。分叉/结合框架是一个比较特殊的线程池框架，专用于需要将一个任务不断分解成子任务（分叉），再不断进行汇总得到最终结果（结合）的计算过程。比起传统的线程池类ThreadPoolExecutor，ForkJoinPool 实现了工作窃取算法，使得空闲线程能够主动分担从别的线程分解出来的子任务，从而让所有的线程都尽可能处于饱满的工作状态，提高执行效率。

ForkJoinPool 提供了三类方法来调度子任务：

execute 系列异步执行指定的任务。invoke 和 invokeAll执行指定的任务，等待完成，返回结果。submit 系列异步执行指定的任务并立即返回一个 Future 对象。子任务由 ForkJoinTask 的实例来代表。它是一个抽象类，JDK 为我们提供了两个实现：RecursiveTask 和 RecursiveAction，分别用于需要和不需要返回计算结果的子任务。ForkJoinTask 提供了三个静态的 invokeAll 方法来调度子任务，注意只能在 ForkJoinPool 执行计算的过程中调用它们。ForkJoinPool 和 ForkJoinTask 还提供了很多让人眼花缭乱的公共方法，其实它们大多数都是其内部实现去调用的，对于应用开发人员来说意义不大。

下面以统计 D 盘文件个数为例。这实际上是对一个文件树的遍历，我们需要递归地统计每个目录下的文件数量，最后汇总，非常适合用分叉/结合框架来处理：

// 处理单个目录的任务
public class CountingTask extends RecursiveTask<Integer> {
private Path dir;

public CountingTask(Path dir) {
this.dir = dir;
}

@Override
protected Integer compute() {
int count = 0;
List<CountingTask> subTasks = new ArrayList<>();

// 读取目录 dir 的子路径。
try (DirectoryStream<Path> ds = Files.newDirectoryStream(dir)) {
for (Path subPath : ds) {
if (Files.isDirectory(subPath, LinkOption.NOFOLLOW_LINKS)) {
// 对每个子目录都新建一个子任务。
subTasks.add(new CountingTask(subPath));
} else {
// 遇到文件，则计数器增加 1。
count++;
}
}

if (!subTasks.isEmpty()) {
// 在当前的 ForkJoinPool 上调度所有的子任务。
for (CountingTask subTask : invokeAll(subTasks)) {
count += subTask.join();
}
}
} catch (IOException ex) {
return 0;
}
return count;
}
}

// 用一个 ForkJoinPool 实例调度“总任务”，然后敬请期待结果……
Integer count = new ForkJoinPool().invoke(new CountingTask(Paths.get("D:/")));

在我的笔记本上，经多次运行这段代码，耗费的时间稳定在 600 豪秒左右。普通线程池（Executors.newCachedThreadPool()）耗时 1100 毫秒左右，足见工作窃取的优势。

结束本文前，我们来围观一个最神奇的结果：单线程算法（使用 Files.walkFileTree(...)）比这两个都快，平均耗时 550 毫秒！这警告我们并非引入多线程就能优化性能，并须要先经过多次测试才能下结论。

实际测试

package com.forkjoin.countdir;

import java.io.File;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;

import com.util.DateTime;

public class CountTaskRecursive extends RecursiveTask {

int sum =0;
File file ;

public CountTaskRecursive(File file) {
this.file = file;
}

@Override
protected Integer compute() {
Integer csum =0;
List<CountTaskRecursive> tasklist = new ArrayList<CountTaskRecursive>() ;
if(file.isDirectory())
{
for(File f:file.listFiles())
{
CountTaskRecursive t = new CountTaskRecursive(f);
tasklist.add(t);
}
}
else
csum ++;
if(!tasklist.isEmpty())
{
for(CountTaskRecursive t :invokeAll(tasklist))
csum += (Integer)t.join();
}
return csum;
}

public static void main(String[] args) {
DateTime dt = new DateTime() ;
System.out.println("系统日期："+dt.getDate()) ;
System.out.println("中文日期："+dt.getDateComplete()) ;
System.out.println("时间戳："+dt.getTimeStamp()) ;
CountTaskRecursive task = new CountTaskRecursive(new File("F:\\私人资料"));
Integer sum = (Integer)new ForkJoinPool().invoke(task);
System.out.println(sum);
dt = new DateTime() ;
System.out.println("系统日期："+dt.getDate()) ;
System.out.println("中文日期："+dt.getDateComplete()) ;
System.out.println("时间戳："+dt.getTimeStamp()) ;
}
}

package com.forkjoin.countdir;
import java.io.File;
import java.security.Timestamp;
import java.util.Calendar;

import com.util.DateTime;

public class CountTaskSingle {
static int sum = 0;

public void countDir(File file)
{
if(file.isDirectory())
{
for(File f:file.listFiles())
countDir(f);
}
else
sum++;

}

public static void main(String[] args) {
CountTaskSingle ins = new CountTaskSingle();
DateTime dt = new DateTime() ;
System.out.println("系统日期："+dt.getDate()) ;
System.out.println("中文日期："+dt.getDateComplete()) ;
System.out.println("时间戳："+dt.getTimeStamp()) ;
ins.countDir(new File("F:\\私人资料"));
System.out.println(sum);
dt = new DateTime() ;
System.out.println("系统日期："+dt.getDate()) ;
System.out.println("中文日期："+dt.getDateComplete()) ;
System.out.println("时间戳："+dt.getTimeStamp()) ;
}
}

package com.util;

import java.util.*; // 导入需要的工具包
public class DateTime { // 以后直接通过此类就可以取得日期时间
private Calendar calendar = null; // 声明一个Calendar对象，取得时间
public DateTime() { // 构造方法中直接实例化对象
this.calendar = new GregorianCalendar();
}
public String getDate() { // 得到的是一个日期：格式为：yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS
// 考虑到程序要频繁修改字符串，所以使用StringBuffer提升性能
StringBuffer buf = new StringBuffer();
buf.append(calendar.get(Calendar.YEAR)).append("-"); // 增加年
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.MONTH) + 1, 2)).append("-"); // 增加月
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.DAY_OF_MONTH), 2)).append(" "); // 取得日
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.HOUR_OF_DAY), 2)).append(":"); // 取得时
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.MINUTE), 2)).append(":");
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.SECOND), 2)).append(".");
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.MILLISECOND), 3));
return buf.toString();
}
public String getDateComplete() { // 得到的是一个日期：格式为：yyyy年MM月dd日 HH时mm分ss秒SSS毫秒
// 考虑到程序要频繁修改字符串，所以使用StringBuffer提升性能
StringBuffer buf = new StringBuffer();
buf.append(calendar.get(Calendar.YEAR)).append("年"); // 增加年
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.MONTH) + 1, 2)).append("月"); // 增加月
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.DAY_OF_MONTH), 2)).append("日"); // 取得日
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.HOUR_OF_DAY), 2)).append("时"); // 取得时
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.MINUTE), 2)).append("分"); // 取得分
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.SECOND), 2)).append("秒"); // 取得秒
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.MILLISECOND), 3)).append("毫秒"); // 取得毫秒
return buf.toString();
}
public String getTimeStamp() { // 得到的是一个时间戳
// 考虑到程序要频繁修改字符串，所以使用StringBuffer提升性能
StringBuffer buf = new StringBuffer();
buf.append(calendar.get(Calendar.YEAR)); // 增加年
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.MONTH) + 1, 2)); // 增加月
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.DAY_OF_MONTH), 2)); // 取得日
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.HOUR_OF_DAY), 2)); // 取得时
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.MINUTE), 2)); // 取得分
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.SECOND), 2)); // 取得秒
buf.append(this.addZero(calendar.get(Calendar.MILLISECOND), 3)); // 取得毫秒
return buf.toString();
}
// 考虑到日期中存在前导0，所以在此处加上补零的方法
private String addZero(int num, int len) {
StringBuffer s = new StringBuffer();
s.append(num);
while (s.length() < len) { // 如果长度不足，则继续补0
s.insert(0, "0"); // 在第一个位置处补0
}
return s.toString();
}
};