摘要：時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)類庫添加了，作為對(duì)型線程池的實(shí)現(xiàn)。類圖用來專門定義型任務(wù)完成將大任務(wù)分割為小任務(wù)以及合并結(jié)果的工作。

JDK 1.7 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)類庫添加了 ForkJoinPool，作為對(duì) Fork/Join 型線程池的實(shí)現(xiàn)。Fork 在英文中有 分叉 的意思，而 Join 有 合并 的意思。ForkJoinPool 的功能也是如此：Fork 將大任務(wù)分叉為多個(gè)小任務(wù)，然后讓小任務(wù)執(zhí)行，Join 是獲得小任務(wù)的結(jié)果，然后進(jìn)行合并，將合并的結(jié)果作為大任務(wù)的結(jié)果 —— 并且這會(huì)是一個(gè)遞歸的過程 —— 因?yàn)槿蝿?wù)如果足夠大，可以將任務(wù)多級(jí)分叉直到任務(wù)足夠小。

由此可見，ForkJoinPool 可以滿足 并行 地實(shí)現(xiàn) 分治算法（Divide-and-Conquer） 的需要。

ForkJoinPool 的類圖如下：

可以看到 ForkJoinPool 實(shí)現(xiàn)了 ExecutorService 接口，所以首先 ForkJoinPool 也是一個(gè) ExecutorService （線程池）。因而 Runnable 和 Callable 類型的任務(wù)，ForkJoinPool 也可以通過 submit、invokeAll 和 invokeAny 等方法來執(zhí)行。但是標(biāo)準(zhǔn)類庫還為 ForkJoinPool 定義了一種新的任務(wù)，它就是 ForkJoinTask。

ForkJoinTask 類圖：

ForkJoinTask 用來專門定義 Fork/Join 型任務(wù) —— 完成將大任務(wù)分割為小任務(wù)以及合并結(jié)果的工作。一般我們不需要直接使用 ForkJoinTask，而是通過繼承它的子類 RecursiveAction 和 RecursiveTask 并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的抽象方法 —— compute ，來定義我們自己的任務(wù)。其中，RecursiveAction 是不帶返回值的 Fork/Join 型任務(wù)，所以使用此類任務(wù)并不產(chǎn)生結(jié)果，也就不涉及到結(jié)果的合并；而 RecursiveTask 是帶返回值的 Fork/Join 型任務(wù)，使用此類任務(wù)的話，在任務(wù)結(jié)束前，我們需要進(jìn)行結(jié)果的合并。其中，通過 ForkJoinTask 的 fork 方法，我們可以產(chǎn)生子任務(wù)并執(zhí)行；通過 join 方法，我們可以獲得子任務(wù)的結(jié)果。

ForkJoinPool 可以使用三種方法用來執(zhí)行 ForkJoinTask：

invoke 方法：

invoke 方法用來執(zhí)行一個(gè)帶返回值的任務(wù)（通常繼承自RecursiveTask），并且該方法是阻塞的，直到任務(wù)執(zhí)行完畢，該方法才會(huì)停止阻塞并返回任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。

submit 方法：

除了從 ExecutorService 繼承的 submit 方法外，ForkJoinPool 還定義了用來執(zhí)行 ForkJoinTask 的 submit 方法 —— 一般該 submit 方法用來執(zhí)行帶返回值的ForkJoinTask（通常繼承自RecursiveTask）。該方法是非阻塞的，調(diào)用之后將任務(wù)提交給 ForkJoinPool 去執(zhí)行便立即返回，返回的便是已經(jīng)提交到 ForkJoinPool 去執(zhí)行的 task —— 由類圖可知 ForkJoinTask 實(shí)現(xiàn)了 Future 接口，所以可以直接通過 task 來和已經(jīng)提交的任務(wù)進(jìn)行交互。

execute 方法：

除了從 Executor 獲得的 execute 方法外，ForkJoinPool 也定義了用來執(zhí)行ForkJoinTask 的 execute 方法 —— 一般該 execute 方法用來執(zhí)行不帶返回值的ForkJoinTask（通常繼承自RecursiveAction） ，該方法同樣是非阻塞的。

現(xiàn)在讓我們來實(shí)踐下 ForkJoinPool 的功能：計(jì)算 π 的值。計(jì)算 π 的值有一個(gè)通過多項(xiàng)式方法，即：π = 4 * (1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + 1/9 - ……)，而且多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)越多，計(jì)算出的 π 的值越精確。

首先我們定義用來估算 π 的 PiEstimateTask：

class PiEstimateTask extends RecursiveTask {

    private final long begin;
    private final long end;
    private final long threshold; // 分割任務(wù)的臨界值

    public PiEstimateTask(long begin, long end, long threshold) {
        this.begin = begin;
        this.end = end;
        this.threshold = threshold;
    }

    @Override
    protected Double compute() {  // 實(shí)現(xiàn) compute 方法
        if (end - begin <= threshold) {  // 臨界值之下，不再分割，直接計(jì)算

            int sign; // 符號(hào)，多項(xiàng)式中偶數(shù)位取 1，奇數(shù)位取 -1（位置從 0 開始）
            double result = 0.0;
            
            for (long i = begin; i < end; i++) {
                sign = (i & 1) == 0 ? 1 : -1;
                result += sign / (i * 2.0 + 1);
            }

            return result * 4;
        }

        // 分割任務(wù)
        long middle = (begin + end) / 2;
        PiEstimateTask leftTask = new PiEstimateTask(begin, middle, threshold);
        PiEstimateTask rightTask = new PiEstimateTask(middle, end, threshold);

        leftTask.fork();  // 異步執(zhí)行 leftTask
        rightTask.fork(); // 異步執(zhí)行 rightTask

        double leftResult = leftTask.join();   // 阻塞，直到 leftTask 執(zhí)行完畢返回結(jié)果
        double rightResult = rightTask.join(); // 阻塞，直到 rightTask 執(zhí)行完畢返回結(jié)果

        return leftResult + rightResult; // 合并結(jié)果
    }

}

然后我們使用 ForkJoinPool 的 invoke 執(zhí)行 PiEstimateTask：

public class ForkJoinPoolTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool(4);
    
        // 計(jì)算 10 億項(xiàng)，分割任務(wù)的臨界值為 1 千萬
        PiEstimateTask task = new PiEstimateTask(0, 1_000_000_000, 10_000_000);
    
        double pi = forkJoinPool.invoke(task); // 阻塞，直到任務(wù)執(zhí)行完畢返回結(jié)果
    
        System.out.println("π 的值：" + pi);
        
        forkJoinPool.shutdown(); // 向線程池發(fā)送關(guān)閉的指令
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

我們也可以使用 submit 方法異步的執(zhí)行任務(wù)（此處 submit 方法返回的 future 指向的對(duì)象即提交任務(wù)時(shí)的 task）：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool(4);

    PiEstimateTask task = new PiEstimateTask(0, 1_000_000_000, 10_000_000);
    Future future = forkJoinPool.submit(task); // 不阻塞
    
    double pi = future.get();
    System.out.println("π 的值：" + pi);
    System.out.println("future 指向的對(duì)象是 task 嗎：" + (future == task));
    
    forkJoinPool.shutdown(); // 向線程池發(fā)送關(guān)閉的指令
}

運(yùn)行結(jié)果：

值得注意的是，選取一個(gè)合適的分割任務(wù)的臨界值，對(duì) ForkJoinPool 執(zhí)行任務(wù)的效率有著至關(guān)重要的影響。臨界值選取過大，任務(wù)分割的不夠細(xì)，則不能充分利用 CPU；臨界值選取過小，則任務(wù)分割過多，可能產(chǎn)生過多的子任務(wù)，導(dǎo)致過多的線程間的切換和加重 GC 的負(fù)擔(dān)從而影響了效率。所以，需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景選擇一個(gè)合適的分割任務(wù)的臨界值。

ForkJoinPool 相比于 ThreadPoolExecutor，還有一個(gè)非常重要的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）在于，ForkJoinPool具有 Work-Stealing （工作竊取）的能力。所謂 Work-Stealing，在 ForkJoinPool 中的實(shí)現(xiàn)為：線程池中每個(gè)線程都有一個(gè)互不影響的任務(wù)隊(duì)列（雙端隊(duì)列），線程每次都從自己的任務(wù)隊(duì)列的隊(duì)頭中取出一個(gè)任務(wù)來運(yùn)行；如果某個(gè)線程對(duì)應(yīng)的隊(duì)列已空并且處于空閑狀態(tài)，而其他線程的隊(duì)列中還有任務(wù)需要處理但是該線程處于工作狀態(tài)，那么空閑的線程可以從其他線程的隊(duì)列的隊(duì)尾取一個(gè)任務(wù)來幫忙運(yùn)行 —— 感覺就像是空閑的線程去偷人家的任務(wù)來運(yùn)行一樣，所以叫 “工作竊取”。

Work-Stealing 的適用場(chǎng)景是不同的任務(wù)的耗時(shí)相差比較大，即某些任務(wù)需要運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，而某些任務(wù)會(huì)很快的運(yùn)行完成，這種情況下用 Work-Stealing 很合適；但是如果任務(wù)的耗時(shí)很平均，則此時(shí) Work-Stealing 并不適合，因?yàn)楦`取任務(wù)時(shí)不同線程需要搶占鎖，這可能會(huì)造成額外的時(shí)間消耗，而且每個(gè)線程維護(hù)雙端隊(duì)列也會(huì)造成更大的內(nèi)存消耗。所以 ForkJoinPool 并不是 ThreadPoolExecutor 的替代品，而是作為對(duì) ThreadPoolExecutor 的補(bǔ)充。

總結(jié)：
ForkJoinPool 和 ThreadPoolExecutor 都是 ExecutorService（線程池），但ForkJoinPool 的獨(dú)特點(diǎn)在于：

ThreadPoolExecutor 只能執(zhí)行 Runnable 和 Callable 任務(wù)，而 ForkJoinPool 不僅可以執(zhí)行 Runnable 和 Callable 任務(wù)，還可以執(zhí)行 Fork/Join 型任務(wù) —— ForkJoinTask —— 從而滿足并行地實(shí)現(xiàn)分治算法的需要；

ThreadPoolExecutor 中任務(wù)的執(zhí)行順序是按照其在共享隊(duì)列中的順序來執(zhí)行的，所以后面的任務(wù)需要等待前面任務(wù)執(zhí)行完畢后才能執(zhí)行，而 ForkJoinPool 每個(gè)線程有自己的任務(wù)隊(duì)列，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了 Work-Stealing 的功能，使得在某些情況下 ForkJoinPool 能更大程度的提高并發(fā)效率。