前言：本文基于jdk1.7，jdk1.8与jdk1.7还是有些差别。

一、什么是Fork/Join框架

Fork/Join框架是Java 7提供的一个用于并行执行任务的框架，是一个把大任务分割成若干个小任务，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架。简单来说，Fork就是把一个大任务切分为若干子任务并行的执行，Join就是合并这些子任务的执行结果，最后得到这个大任务的结果。比如计算1+2+…+10000，可以分割成10个子任务，每个子任务分别对1000个数进行求和，最终汇总这10个子任务的结果。

这里要介绍一下工作窃取算法：指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。简单说就是，将一个大任务分割为若干个互不依赖的子任务，这些子任务放到不同的队列里，并为每个队列创建一个单独的线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应。当某个线程完成了自己队列的任务之后，从其他未完成任务的线程的队列中窃取任务来执行。但是，这样子的话这些线程之间会存在竞争关系，所以一般会采取双端队列，被窃取任务线程永远从双端队列的头部拿任务执行，而窃取任务的线程永远从双端队列的尾部拿任务执行。

二、Fork/Join框架的工作原理

从上面Fork/Join框架的介绍中了解到，Fork/Join框架主要分为几个步骤实现。

1、分割任务。首先我们需要有一个fork类来把大任务分割成子任务，有可能子任务还是很大，所以还需要不停地分割，直到分割出的子任务足够小。

2、执行任务并合并结果。分割的子任务分别放在双端队列里，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统一放在一个队列里，启动一个线程从队列里拿数据，然后合并这些数据。

Fork/Join框架通过ForkJoinTask和ForkJoinPool来实现分割任务和执行任务并合并结果。

①ForkJoinTask：我们要使用ForkJoin框架，必须首先创建一个ForkJoin任务。它提供在任务中执行fork()和join()操作的机制。通常情况下，我们不需要直接继承ForkJoinTask类，只需要继承它的子类，Fork/Join框架提供了以下两个子类，根据我们的需要(是否需要返回结果)来实现不同的类：
·RecursiveAction：用于没有返回结果的任务，即执行任务后不会返回结果；
·RecursiveTask：用于有返回结果的任务，即执行任务后会返回结果。
②ForkJoinPool：ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行。任务分割出的子任务会添加到当前工作线程所维护的双端队列中，进入队列的头部。当一个工作线程的队列里暂时没有任务时，它会随机从其他工作线程的队列的尾部获取一个任务。
接下来我们通过一个例子来理解Fork/Join框架是如果工作的：计算1+2+3+4的结果

首先，我们需要分割任务，假如我们希望每个子任务最多执行两个数的相加，那么我们设置分割的阈值是2，由于是4个数字相加，所以Fork/Join框架会把这个任务fork成两个子任务，子任务一负责计算1+2，子任务二负责计算3+4，然后再join两个子任务
的结果。因为是有结果的任务，所以必须继承RecursiveTask，实现代码如下：

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
public class CountTask extends RecursiveTask<Integer> {// 阈值，表示拆分为几个子任务private static final int THRESHOLD = 2;private int start;private int end;public CountTask(int start, int end) {this.start = start;this.end = end;}@Overrideprotected Integer compute() {int sum = 0;// 如果任务小于等于阈值则计算任务Boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;if (canCompute) {for (int i = start; i <= end; i++) {sum += i;}} else {// 如果任务大于阈值，就分裂成两个子任务计算int middle = (start + end) / 2;CountTask leftTask = new CountTask(start, middle);CountTask rightTask = new CountTask(middle + 1, end);// 执行子任务leftTask.fork();rightTask.fork();// 等待子任务执行完，并得到其结果int leftResult=leftTask.join();int rightResult=rightTask.join();// 合并子任务sum = leftResult + rightResult;}return sum;}public static void main(String[] args) {ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();// 生成一个计算任务，负责计算1+2+3+4CountTask task = new CountTask(1, 4);// 执行一个任务Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);try {System.out.println(result.get());}catch (InterruptedException e) {}catch (ExecutionException e) {}}
}

从上面的代码可以看到， ForkJoinTask的子类需要实现compute方法，在这个方法里，首先需要判断任务是否足够小，如果足够小就直接执行任务。如果不足够小，就必须分割成两个子任务，每个子任务在调用fork方法时，又会进入compute方法，看看当前子任务是否需要继续分割成子任务，如果不需要继续分割，则执行当前子任务并返回结果。使用join方法会等待子任务执行完并得到其结果。

此外，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。

if(task.isCompletedAbnormally())
{System.out.println(task.getException());
}

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。

三、Fork/Join框架的实现原理

ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责将存放程序提交给ForkJoinPool的任务，而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。
（1）ForkJoinTask的fork方法实现原理
当我们调用ForkJoinTask的fork方法时，程序会调用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法异步地执行这个任务，然后立即返回结果。

public final ForkJoinTask<V> fork() {((ForkJoinWorkerThread) Thread.currentThread()).pushTask(this);return this;
}

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。

final void pushTask(ForkJoinTask<> t) {ForkJoinTask<>[] q;int s, m;if ((q = queue) != null) {// ignore if queue removedlong u = (((s = queueTop) & (m = q.length - 1)) << ASHIFT) + ABASE;UNSAFE.putOrderedObject(q, u, t);queueTop = s + 1;// or use putOrderedIntif ((s -= queueBase) <= 2)pool.signalWork(); else if (s == m)growQueue();}
}

（2）ForkJoinTask的join方法实现原理
Join方法的主要作用是阻塞当前线程并等待获取结果。

public final V join() {if (doJoin() != NORMAL)return reportResult();elsereturn getRawResult();
}
private V reportResult() {int s;Throwable ex;if ((s = status) == CANCELLED)throw new CancellationException();if (s == EXCEPTIONAL && (ex = getThrowableException()) != null)UNSAFE.throwException(ex);return getRawResult();
}

首先，它调用了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）和出现异常（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。
让我们再来分析一下doJoin()方法的实现代码

private int doJoin() {Thread t;ForkJoinWorkerThread w;int s;Boolean completed;if ((t = Thread.currentThread()) instanceof ForkJoinWorkerThread) {if ((s = status) < 0)return s;if ((w = (ForkJoinWorkerThread)t).unpushTask(this)) {try {completed = exec();}catch (Throwable rex) {return setExceptionalCompletion(rex);}if (completed)return setCompletion(NORMAL);}return w.joinTask(this);} elsereturn externalAwaitDone();
}

在doJoin()方法里，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。
 

《Java并发编程的艺术》