Java 理论与实践: 应用 fork-join 框架，第 2 部分

Java™ 7 中的 java.util.concurrent 包的新增功能之一是一个用于 fork-join 风格的并行分解的库。在本系列的 第 1 部分 中，Brian Goetz 演示了 fork-join 如何为众多的算法提供一种自然的分解机制，以有效地利用硬件的并行性。在本文中，他将介绍 ParallelArray 类，这个类简化了内存中数据结构上的并行排序和搜索操作。

在 上一期 Java 理论与实践 中，我们研究了 fork-join 库，这个库将添加到 Java 7 的 java.util.concurrent 包中。fork-join 技术提供了一种表示 divide-and-conquer 并行算法的简单方式，这种方式能够在大量硬件上有效执行，无需修改代码。

随 着处理器数量的增加，为了有效利用可用的硬件，我们需要识别并利用程序中更细粒度的并行性。最近几年中，选择粗粒度的任务边界（例如在 Web 应用程序中处理单一请求）和在线程池中执行任务，通常能够提供足够的并行性，实现可接受的硬件利用效率。但是如果要再进一步，就必须深入挖掘更多的并行 性，以让硬件全速运转。一个成熟的并行领域就是大数据集中的排序和搜索。用 fork-join 可以很容易地表示这类问题，正如您在 上一期 中看到的那样。 但是由于这些问题非常普遍，所以该类库提供了一种更简单的方法 — ParallelArray。

fork-join 将 divide-and-conquer 技术具体化；它接受一个问题并将其递归分解为子问题，直到子问题小到用顺序方法解决更有效。递归步骤包括将一个问题分解成两个或更多子问题，将子问题排队求解（分叉（fork）步骤），等待子问题的结果（合并（join） 步骤），然后合并结果。这类算法的一个示例是使用 fork-join 库进行合并排序，如清单 1 所示：

                
public class MergeSort extends RecursiveAction {
    final int[] numbers;
    final int startPos, endPos;
    final int[] result;

    private void merge(MergeSort left, MergeSort right) {
        int i=0, leftPos=0, rightPos=0, leftSize = left.size(), rightSize = right.size();
        while (leftPos < leftSize && rightPos < rightSize)
            result[i++] = (left.result[leftPos] <= right.result[rightPos])
                    ? left.result[leftPos++]
                    : right.result[rightPos++];
        while (leftPos < leftSize)
            result[i++] = left.result[leftPos++];
        while (rightPos < rightSize)
            result[i++] = right.result[rightPos++];
    }

    public int size() {
        return endPos-startPos;
    }

    protected void compute() {
        if (size() < SEQUENTIAL_THRESHOLD) {
            System.arraycopy(numbers, startPos, result, 0, size());
            Arrays.sort(result, 0, size());
        }
        else {
            int midpoint = size() / 2;
            MergeSort left = new MergeSort(numbers, startPos, startPos+midpoint);
            MergeSort right = new MergeSort(numbers, startPos+midpoint, endPos);
            coInvoke(left, right);
            merge(left, right);
        }
    }
}

合并排序本身并非并行算法，因为它可以顺序执行。当数据集太大，内存无法容纳，必须分片保存的时候，经常使用合并排序。合并排序的最差性能和平均性能为 O(n log n)。但是由于很难在原地进行合并，所以合并排序的内存需求比能够原地进行的排序算法（例如快速排序）更高。但是因为子问题的排序能够并行完成，所以合并排序的并行性比快速排序好。

在处理器数量固定的情况下，并行化并不能将 O(n log n) 问题转变为 O(n) 问题，但是问题越适合并行化，它就越接近 O(n) 问题， 从而减少总体运行时）。减少总体运行时间意味着用户能更快得到结果 — 即使并行执行需要比顺序执行更多的 CPU 周期。

使用 fork-join 技术的主要好处是，它提供了一种编写并行执行的算法的简便方法。程序员无需知道部署中可用的 CPU 数量；运行时能够很好地协调可用 CPU 的工作量、在大范围硬件上产生合理的结果。

在 主流服务器应用程序中，最适合更细粒度并行性的地方是数据集的排序、搜索、选择和汇总。其中的每个问题都可以用 divide-and-conquer 轻松地并行化，并能轻松地表示为 fork-join 任务。例如，要将对大数据集求平均值的操作并行化，可以递归地将大数据集分解成更小的数据集 — 就像在合并排序中做的那样 — 对子集求均值，然后在合并步骤中求出各子集的平均值的加权平均值。

对于排序和搜索问题，fork-join 库提供了一种表示可以并行化的数据集操作的非常简单的途径：ParallelArray 类。其思路是：用 ParallelArray 表示一组结构上类似的数据项，用 ParallelArray 上的方法创建一个对分解数据的具体方法的描述。然后用该描述并行地执行数组操作（幕后使用的是 fork-join 框架）。这种方法支持声明性地指定数据选择、转换和后处理操作，允许框架计算出合理的并行执行计划，就像数据库系统允许用 SQL 指定数据操作并隐藏操作的实现机制一样。ParallelArray 的一些实现可用于不同的数据类型和大小，包括对象数组和各种原语组成的数组。

清单 2 显示的示例使用 ParallelArray 对学生成绩进行汇总，演示了选择、处理和汇总的基本操作。 Student 类包含学生的信息（姓名、毕业年份、GPA）。helper 对象 isSenior 用来选择今年毕业的学生，healper 对象 getGpa 提取指定学生的 GPA 字段。清单开始部分的表达式创建一个 ParallelArray，代表一组学生，然后从今年毕业的学生中选出最高的 GPA。

                
ParallelArray students = new ParallelArray(fjPool, data);
double bestGpa = students.withFilter(isSenior)
                         .withMapping(selectGpa)
                         .max();

public class Student {
    String name;
    int graduationYear;
    double gpa;
}

static final Ops.Predicate isSenior = new Ops.Predicate() {
    public boolean op(Student s) {
        return s.graduationYear == Student.THIS_YEAR;
    }
};

static final Ops.ObjectToDouble selectGpa = new Ops.ObjectToDouble() {
    public double op(Student student) {
        return student.gpa;
    }
};

表示并行数组上的操作的代码有点欺骗性。withFilter() 和 withMapping() 方法实际上并不搜索或转换数据；它们只是设置 “查询” 的参数。实际的工作在最后一步进行，在本例中就是对 max() 的调用。

ParallelArray 支持以下基本操作：

• 筛选：选择计算过程中包含的元素子集。在清单 2 中，筛选器由 withFilter() 方法指定。
  
  
• 应用：将一个过程应用到每个选中的元素。清单 2 没有展示这个技术，但是 apply() 方法允许对每个选中元素执行一个操作。
  
  
• 映射：将选中的元素转换为另一种形式（例如从元素中提取数据字段）。在本例中，这个转换由 withMapping() 方法执行，我们将 Student 转换为学生的 GPA。其结果是指定选择和映射结果的 ParallelArray。
  
  
• 替换：将每个元素替换为由它派生的另一个元素，创建新的并行数组。此技术与映射类似，但是形成新的 ParallelArray，可以在其上执行进一步查询。替换的一种情况是排序，将元素替换为不同的元素，从而对其进行排序（内置的 sort() 方法可用于此操作）。另一种特殊情况是 cumulate() 方法，该方法根据指定的组合操作用累积值替换每个元素。替换操作也可用于组合多个 ParallelArray，例如创建一个 ParallelArray，其元素为对并行数组 a 和 b 执行 a[i]+b[i] 操作得到的值。
  
  
• 汇总：将所有值组合为一个值，例如计算总和、平均值、最小值或最大值。清单 2 中的示例使用了 max() 方法。预定义的汇总方法，例如 min()、sum() 和 max()，是用更通用的 reduce() 构建的。

在 清单 2 中，我们能够计算出任意个学生中的最高 GPA，但是我们想要的结果稍微有点不同 — 哪个学生的 GPA 最高。这个任务可以通过两次计算完成（一次计算最高 GPA，另一次选择拥有这个 GPA 的学生），但是 ParallelArray 提供了更加简便的方法来实现常用的汇总统计，例如最大值、最小值、总和、平均值，以及最大和最小元素的索引。 summary() 方法通过一个并行操作计算这些汇总统计信息。

清单 3 演示了计算汇总信息的 summary() 方法，包括求出最小和最大元素的索引，从而避免反复传递数据：

                
SummaryStatistics summary = students.withFilter(isSenior)
                            .withMapping(selectGpa)
                            .summary();
System.out.println("Worst student: " + students.get(summary.minIndex()).name;
System.out.println("Average GPA: " + summary.getAverage();

ParallelArray 并不是一种通用的内存中数据库，也不是一种指定数据转换和提取的通用机制（例如 .NET 3.0 中的特性 — 语言集成查询 LinQ）；它只是用于简化特定范围的数据选择和转换操作的表达方式，以将这些操作轻松、自动地并行化。所以，它存在一些局限性；例如，必须在映射操作之 前指定筛选操作。（允许多个筛选操作，但是将它们组合成一个复合筛选操作通常会更有效）。它的主要目的是使开发人员不用思考如何将工作并行化；如果能够用 ParallelArray 提供的操作表示转换，那么就能轻松实现并行化。

为了评估 ParallelArray 的效率，我编写了一个简单的程序，针对各种大小的数组和 fork-join 池运行查询。在运行 Windows 的 Core 2 Quad 系统中进行测试。表 1 显示的是相对于基准情形（1000 个学生，一个线程）的性能对比：

		线程
		1	2	4	8
学生	1000	1.00	0.30	0.35	1.20
	10000	2.11	2.31	1.02	1.62
	100000	9.99	5.28	3.63	5.53
	1000000	39.34	24.67	20.94	35.11
	10000000	340.25	180.28	160.21	190.41

虽 然结果相当混乱（受到多个因素的影响，包括 GC 活动），但是能够看出，不仅通过等于内核数量的线程池大小能够实现最好的结果（如果任务是纯计算型的，这个结果可想而知），而且 4 个内核的性能是 1 个内核的性能的 2-3 倍速，这表明不用进行调节，使用高级、便捷的机制也有可能得到不错的并行性。

ParallelArray 提供了一种不错的方法，可用于声明性地指定数据集上的筛选、处理和聚合操作，还方便自动并行化。但是，尽管它的语法比使用原始的 for-join 库更容易表达，但还是有些麻烦；每个筛选器、映射器、reducer 通常被指定为内部类，所以即使像 “查找今年毕业的学生中最高的 GPA” 这样简单的查询，仍然需要十几行代码。Java 7 可能会在 Java 语言中加入闭包；支持闭包的一种说法是：闭包使得小段代码 — 例如 ParallelArray中的筛选器、映射器、reducer —的表示更加紧凑。

清单 4 显示了使用 BGGA 闭包方案重写的求最高 GPA 的查询。（在使用函数类型扩展的 ParallelArray 版本中，withFilter() 的参数类型不是 Ops.Predicate，而是函数类型 { T => boolean }）。闭包标注取消了与内部类相关的引用，允许更紧凑（重点更突出、更直接）地表示需要的数据操作。现在代码缩减为三行，几乎所有代码都表示了我们试图实现的结果的某个重要方面。

                
double bestGpa = students.withFilter({Student s => (s.graduationYear == THIS_YEAR) })
                         .withMapping({ Student s => s.gpa })
                         .max();

随 着可用的处理器数量增加，我们需要发现程序中更细粒度的并行性来源。最有吸引力候选方案之一是聚合数据操作 — 排序、搜索和汇总。JDK 7 中将引入的 fork-join 库提供了一种 “轻松表示” 某类可并行化算法的途径，从而让程序能够在一些硬件平台上有效运行。通过声明性地描述想要执行的操作，然后让 ParallelArray 确定具体的执行方法，fork-join 库的 ParallelArray 组件使并行聚合操作的表示变得更加简单。