Класс ForkJoinTask<V>

«Главная» ForkJoinTask начинает выполнение, когда её явно отправляют в ForkJoinPool или, если она ещё не участвует в вычислении ForkJoin, запускают в ForkJoinPool.commonPool() с помощью fork(), invoke() или связанных методов. После запуска она обычно запускает другие подзадачи. Как следует из названия этого класса, во многих программах, использующих ForkJoinTask, применяются только методы fork() и join() или их производные, например invokeAll. Однако этот класс также предоставляет ряд других методов, которые могут пригодиться при расширенном использовании, а также механизмы расширения, позволяющие поддерживать новые формы обработки fork/join.

ForkJoinTask — это облегчённая форма Future. Эффективность ForkJoinTasks обусловлена рядом ограничений (которые лишь частично могут быть проверены статически), отражающих их основное назначение: вычислительные задачи, вычисляющие чистые функции или работающие с полностью изолированными объектами. Основные механизмы координации — это fork(), организующий асинхронное выполнение, и join(), который ожидает вычисления результата задачи. В вычислениях желательно избегать методов и блоков synchronized и сводить к минимуму другие блокирующие механизмы синхронизации, за исключением объединения с другими задачами или использования средств синхронизации, таких как Phaser, которые, как заявлено, взаимодействуют с планированием fork/join. Задачи, допускающие разбиение на подзадачи, также не должны выполнять блокирующий ввод-вывод и в идеале должны обращаться к переменным, полностью независимым от тех, к которым обращаются другие выполняющиеся задачи. Соблюдение этих рекомендаций в некоторой степени обеспечивается запретом на выбрасывание проверяемых исключений, таких как IOExceptions. Однако при вычислениях всё же могут возникать непроверяемые исключения, которые повторно выбрасываются при попытке вызывающего кода объединиться с такими задачами. К ним также могут относиться RejectedExecutionException, возникающие при исчерпании внутренних ресурсов, например при невозможности выделить внутренние очереди задач. Повторно выбрасываемые исключения ведут себя так же, как обычные исключения, но, если возможно, содержат трассировки стека (отображаемые, например, с помощью ex.printStackTrace()) как потока, инициировавшего вычисление, так и потока, фактически обнаружившего исключение; как минимум содержится трассировка последнего.

Можно определять и использовать ForkJoinTask, которые могут блокироваться, однако при этом необходимо учитывать ещё три момента: (1) Завершение лишь небольшого числа других задач, если таковые вообще есть, должно зависеть от задачи, блокирующейся при внешней синхронизации или вводе-выводе. Асинхронные задачи событийного типа, которые никогда не объединяются с другими задачами (например, наследующие CountedCompleter), часто относятся к этой категории. (2) Чтобы свести к минимуму влияние на ресурсы, задачи должны быть небольшими; в идеале они должны выполнять только действие, которое может блокироваться. (3) Если не используется API ForkJoinPool.ManagedBlocker или количество потенциально заблокированных задач заведомо меньше уровня ForkJoinPool.getParallelism() пула, пул не может гарантировать наличие достаточного количества потоков для обеспечения прогресса или высокой производительности.

Основной метод ожидания завершения задачи и получения её результата — join(), однако есть несколько вариантов: методы Future.get() поддерживают прерываемое и/или ограниченное по времени ожидание завершения и сообщают результаты, используя соглашения Future. Метод invoke() семантически эквивалентен fork(); join(), но всегда пытается начать выполнение в текущем потоке. «Тихие» варианты этих методов не извлекают результаты и не сообщают об исключениях. Они могут быть полезны при выполнении набора задач, если обработку результатов или исключений нужно отложить до завершения всех задач. Метод invokeAll (доступный в нескольких вариантах) выполняет наиболее распространённый тип параллельного вызова: запускает набор задач и объединяется со всеми ними.

В наиболее типичных случаях пара fork/join действует подобно вызову (fork) и возврату (join) из параллельной рекурсивной функции. Как и при других видах рекурсивных вызовов, возврат (join) должен выполняться в порядке от самых вложенных к внешним. Например, a.fork(); b.fork(); b.join(); a.join();, вероятно, будет значительно эффективнее, чем объединение с a до b.

Состояние выполнения задач можно проверять с разной степенью детализации: isDone() возвращает true, если задача завершилась любым способом (в том числе если она была отменена до выполнения); isCompletedNormally() возвращает true, если задача завершилась без отмены и исключения; isCancelled() возвращает true, если задача была отменена (в этом случае getException() возвращает CancellationException); а isCompletedAbnormally() возвращает true, если задача была отменена или в ней возникло исключение; в этом случае getException() вернёт возникшее исключение или CancellationException.

Обычно от ForkJoinTask напрямую не наследуются. Вместо этого наследуются один из абстрактных классов, поддерживающих определённый стиль обработки fork/join: как правило, RecursiveAction — для большинства вычислений, не возвращающих результат, RecursiveTask — для вычислений, возвращающих результат, и CountedCompleter — для вычислений, в которых завершённые действия запускают другие действия. Обычно конкретный подкласс ForkJoinTask объявляет поля, содержащие параметры, инициализируемые в конструкторе, а затем определяет метод compute, который каким-либо образом использует управляющие методы, предоставляемые этим базовым классом.

Метод join() и его варианты подходят только тогда, когда зависимости завершения не образуют циклов, то есть параллельные вычисления можно представить в виде ориентированного ациклического графа (DAG). В противном случае при выполнении может возникнуть разновидность взаимной блокировки, когда задачи циклически ожидают друг друга. Однако эта платформа поддерживает другие методы и приёмы (например, использование Phaser, helpQuiesce() и complete(V)), которые могут пригодиться при создании пользовательских подклассов для задач, структура которых не задана статически в виде DAG. Для поддержки таких сценариев ForkJoinTask можно атомарно пометить значением short с помощью setForkJoinTaskTag(short) или compareAndSetForkJoinTaskTag(short, short) и проверить его с помощью getForkJoinTaskTag(). Реализация ForkJoinTask не использует эти методы protected или метки ни для каких целей, но они могут быть полезны при создании специализированных подклассов. Например, при параллельном обходе графа можно использовать предоставленные методы, чтобы не посещать повторно узлы или задачи, которые уже были обработаны. (Названия методов для работы с метками отчасти намеренно громоздки, чтобы поощрять определение методов, отражающих шаблоны их использования.)

Большинство базовых вспомогательных методов объявлены как final, чтобы запретить переопределение реализаций, неразрывно связанных с базовой платформой планирования легковесных задач. Разработчикам, создающим новые базовые стили обработки fork/join, следует как минимум реализовать методы protected exec(), setRawResult(V) и getRawResult(), а также добавить абстрактный вычислительный метод, который можно реализовать в подклассах, при необходимости используя другие методы protected, предоставляемые этим классом.

ForkJoinTask должны выполнять относительно небольшой объём вычислений. Большие задачи следует разбивать на более мелкие подзадачи, обычно с помощью рекурсивной декомпозиции. В качестве очень приблизительного правила задача должна выполнять более 100 и менее 10000 базовых вычислительных шагов и не должна содержать бесконечных циклов. Если задачи слишком велики, параллелизм не улучшит пропускную способность. Если они слишком малы, затраты на память и внутреннее обслуживание задач могут превысить затраты на обработку.

Этот класс предоставляет методы adapt для Runnable и Callable, которые могут быть полезны при совместном выполнении ForkJoinTasks и задач других типов. Если все задачи относятся к этому типу, рассмотрите возможность использования пула, созданного в режиме asyncMode.

ForkJoinTask являются Serializable, что позволяет использовать их в таких расширениях, как платформы удалённого выполнения. Имеет смысл сериализовать задачи только до или после выполнения, но не во время него. Во время самого выполнения сериализация не используется.