Java并发工具探秘：Fork/Join框架及其高级应用实战

一、Fork/Join框架概述

在Java并发工具包java.util.concurrent（JUC）中，Fork/Join框架是一个用于并行执行任务的工具，特别适合利用多核处理器的能力。它的工作原理基于"分而治之"的原则，将一个大任务分割成若干个小任务（Fork），然后再将各个小任务的结果合并（Join）来得到大任务的结果。

Fork/Join框架的核心是ForkJoinPool，它是一个专门的线程池，设计为了配合ForkJoinTask来执行并行任务。其中，ForkJoinTask是一个抽象的任务类，具有fork()和join()两个方法，分别用于启动子任务和等待子任务的完成。通常我们会创建ForkJoinTask的子类，例如RecursiveTask（有返回值）或RecursiveAction（无返回值），来表示具体的任务。

二、复杂场景下的使用

假设我们需要计算一个巨大数组的和，如果按照传统的单线程方式，效率会非常低。但是我们可以利用Fork/Join框架，将数组划分为若干个小部分，然后并行计算每一部分的和，最后再将所有部分的和合并起来。以下是一个例子：

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) {
            // 如果任务足够小则直接计算
            long sum = 0;
            for (int i = start; i < end; i++) {
                sum += array[i];
            }
            return sum;
        } else {
            // 如果任务大则进行分割
            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类，我们需要创建一个ForkJoinPool并提交任务：

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

三、代码示例：Fork/Join与Spring Boot整合

现在，我们将上面的ArraySumCalculator类应用到一个Spring Boot项目中。假设我们需要提供一个REST API，用于计算数组的和：

首先，我们需要创建一个Service类：

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);
    }
}
           

然后，我们在Controller中使用这个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，我们便成功将Fork/Join框架应用到了Spring Boot项目中。用户可以通过/api/v1/arraySum接口，向服务器发送一个数组，服务器会并行计算这个数组的和并返回结果。通过Fork/Join框架，我们能够充分利用多核处理器的能力，提高程序的执行效率。