java map和reduce

原创
2018/03/26 10:17
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一、背景

虽然目前处理器核心数已经发展到很大数目,但是按任务并发处理并不能完全充分的利用处理器资源,因为一般的应用程序没有那么多的并发处理任务。基于这种现状,考虑把一个任务拆分成多个单元,每个单元分别得到执行,最后合并每个单元的结果。

Fork/Join框架是JAVA7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

二、工作窃取算法

指的是某个线程从其他队列里窃取任务来执行。使用的场景是一个大任务拆分成多个小任务,为了减少线程间的竞争,把这些子任务分别放到不同的队列中,并且每个队列都有单独的线程来执行队列里的任务,线程和队列一一对应。但是会出现这样一种情况:A线程处理完了自己队列的任务,B线程的队列里还有很多任务要处理。A是一个很热情的线程,想过去帮忙,但是如果两个线程访问同一个队列,会产生竞争,所以A想了一个办法,从双端队列的尾部拿任务执行。而B线程永远是从双端队列的头部拿任务执行(任务是一个个独立的小任务),这样感觉A线程像是小偷在窃取B线程的东西一样。

工作窃取算法的优点:

利用了线程进行并行计算,减少了线程间的竞争。

工作窃取算法的缺点:

1、如果双端队列中只有一个任务时,线程间会存在竞争。

2、窃取算法消耗了更多的系统资源,如会创建多个线程和多个双端队列。

三、框架设计

Fork/Join中两个重要的类:

1、ForkJoinTask:使用该框架,需要创建一个ForkJoin任务,它提供在任务中执行fork和join操作的机制。一般情况下,我们并不需要直接继承ForkJoinTask类,只需要继承它的子类,它的子类有两个:

a、RecursiveAction:用于没有返回结果的任务。

b、RecursiveTask:用于有返回结果的任务。

2、ForkJoinPool:任务ForkJoinTask需要通过ForkJoinPool来执行。

package test;

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>
{
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    //阈值
    private static final int THRESHOLD = 2;
    private int start;
    private int end;
    
    public CountTask(int start, int end)
    {
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute()
    {
        int sum = 0;
        //判断任务是否足够小
        boolean canCompute = (end - start) <= THRESHOLD;
        if(canCompute)
        {
            //如果小于阈值,就进行运算
            for(int i=start; i<=end; i++)
            {
                sum += i;
            }
        }
        else
        {
            //如果大于阈值,就再进行任务拆分
            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,并得到执行结果
            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();
        CountTask task = new CountTask(1,6);
        //执行一个任务
        Future<Integer> result = forkJoinPool.submit(task);
        try
        {
            System.out.println(result.get());
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        catch (ExecutionException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        
    }
    
}

这个程序是将1+2+3+4+5+6拆分成1+2;3+4;5+6三个部分进行子程序进行计算后合并。

四、源码解读

1、leftTask.fork();

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;
    }

fork方法内部会先判断当前线程是否是ForkJoinWorkerThread的实例,如果满足条件,则将task任务push到当前线程所维护的双端队列中。

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);
                }
                else if (n >= m)
                    growArray();
            }
        }

在push方法中,会调用ForkJoinPool的signalWork方法唤醒或创建一个工作线程来异步执行该task任务。

public final V join() {
        int s;
        if ((s = doJoin() & DONE_MASK) != NORMAL)
            reportException(s);
        return getRawResult();
    }

通过doJoin方法返回的任务状态来判断,如果不是NORMAL,则抛异常:

private void reportException(int s) { if (s == CANCELLED) throw new CancellationException(); if (s == EXCEPTIONAL) rethrow(getThrowableException()); }

来看下doJoin方法:

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();
    }

先查看任务状态,如果已经完成,则直接返回任务状态;如果没有完成,则从任务队列中取出任务并执行。

Java8 map和reduce

map

final List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4);
        final List<Integer> doubleNumbers = numbers.stream()
                .map(number -> number * 2)
                .collect(Collectors.toList());

结果:[2, 4, 6, 8]

也可以搞成其他的类型,初始List是Integer,也可以变成String

final List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4);
       final List<String> numberIndex = numbers.stream()
               .map(number -> "#" + number)
               .collect(Collectors.toList());

结果:[#1, #2, #3, #4]

reduce

1.不提供初始值的reduce,返回值是Optional,表示可能为空,使用orElseGet可以返回一个null时的默认值

final List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4);
        final Optional<Integer> sum = numbers.stream()
                .reduce((a, b) -> a + b);
sum.orElseGet(() -> 0);

结果:10

这里的(a, b) -> a + b的类型其实是BinaryOperator,它接受两个类型相同的参数

当把numbers改为Arrays.asList()时,结果为0。

2.使用初始值的reduce,因为提供了初始值,所以返回值不再是Optional

final List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4); final Integer sum = numbers.stream() .reduce(0, (a, b) -> a + b);

结果:10

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写的好,好久没写都有些眼生了
2018/03/27 23:07
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