Java并發工具探秘：Fork/Join架構及其進階應用實戰

一、Fork/Join架構概述

在Java并發工具包java.util.concurrent（JUC）中，Fork/Join架構是一個用于并行執行任務的工具，特别适合利用多核處理器的能力。它的工作原理基于"分而治之"的原則，将一個大任務分割成若幹個小任務（Fork），然後再将各個小任務的結果合并（Join）來得到大任務的結果。

Fork/Join架構的核心是ForkJoinPool，它是一個專門的線程池，設計為了配合ForkJoinTask來執行并行任務。其中，ForkJoinTask是一個抽象的任務類，具有fork()和join()兩個方法，分别用于啟動子任務和等待子任務的完成。通常我們會建立ForkJoinTask的子類，例如RecursiveTask（有傳回值）或RecursiveAction（無傳回值），來表示具體的任務。

二、複雜場景下的使用

假設我們需要計算一個巨大數組的和，如果按照傳統的單線程方式，效率會非常低。但是我們可以利用Fork/Join架構，将數組劃分為若幹個小部分，然後并行計算每一部分的和，最後再将所有部分的和合并起來。以下是一個例子：

import java.util.concurrent.*;

public class ArraySumCalculator extends RecursiveTask<Long> {
    private final int[] array;
    private final int start;
    private final int end;

    public ArraySumCalculator(int[] array, int start, int end) {
        this.array = array;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Long compute() {
        if (end - start <= 1000) {
            // 如果任務足夠小則直接計算
            long sum = 0;
            for (int i = start; i < end; i++) {
                sum += array[i];
            }
            return sum;
        } else {
            // 如果任務大則進行分割
            int mid = (start + end) / 2;
            ArraySumCalculator subtask1 = new ArraySumCalculator(array, start, mid);
            ArraySumCalculator subtask2 = new ArraySumCalculator(array, mid, end);
            invokeAll(subtask1, subtask2);
            return subtask1.join() + subtask2.join();
        }
    }
}
           

要使用上面的ArraySumCalculator類，我們需要建立一個ForkJoinPool并送出任務：

int[] array = new int[1000000];
// 初始化數組...
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
ArraySumCalculator task = new ArraySumCalculator(array, 0, array.length);
Long sum = pool.invoke(task);
System.out.println(sum);
           

三、代碼示例：Fork/Join與Spring Boot整合

現在，我們将上面的ArraySumCalculator類應用到一個Spring Boot項目中。假設我們需要提供一個REST API，用于計算數組的和：

首先，我們需要建立一個Service類：

import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
public class ArraySumService {
    private final ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();

    public long sum(int[] array) {
        ArraySumCalculator task = new ArraySumCalculator(array, 0, array.length);
        return pool.invoke(task);
    }
}
           

然後，我們在Controller中使用這個Service：

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;

@RestController
@RequestMapping("/api/v1/arraySum")
public class ArraySumController {
    private final ArraySumService arraySumService;

    @Autowired
    public ArraySumController(ArraySumService arraySumService) {
        this.arraySumService = arraySumService;
    }

    @PostMapping
    public long sum(@RequestBody int[] array) {
        return arraySumService.sum(array);
    }
}
           

如此，我們便成功将Fork/Join架構應用到了Spring Boot項目中。使用者可以通過/api/v1/arraySum接口，向伺服器發送一個數組，伺服器會并行計算這個數組的和并傳回結果。通過Fork/Join架構，我們能夠充分利用多核處理器的能力，提高程式的執行效率。