擁抱 Java 8 并行流吧，讓執(zhí)行速度飛起！

前言

在 Java7 之前，如果想要并行處理一個集合，我們需要以下幾步

1. 手動分成幾部分
2. 為每部分創(chuàng)建線程
3. 在適當(dāng)?shù)臅r候合并。

并且還需要關(guān)注多個線程之間共享變量的修改問題。而 Java8 為我們提供了并行流，可以一鍵開啟并行模式。是不是很酷呢？讓我們來看看吧

并行流

認(rèn)識和開啟并行流

什么是并行流： 并行流就是將一個流的內(nèi)容分成多個數(shù)據(jù)塊，并用不同的線程分別處理每個不同數(shù)據(jù)塊的流。例如有這么一個需求：

有一個 List?集合，而 list 中每個 apple 對象只有重量，我們也知道 apple 的單價是 5元/kg，現(xiàn)在需要計算出每個 apple 的單價

傳統(tǒng)的方式是這樣：

List?appleList?=?new?ArrayList<>();?//?假裝數(shù)據(jù)是從庫里查出來的

for?(Apple?apple?:?appleList)?{
????apple.setPrice(5.0?*?apple.getWeight()?/?1000);
}

我們通過迭代器遍歷 list 中的 apple 對象，完成了每個 apple 價格的計算。而這個算法的時間復(fù)雜度是 O(list.size()) 隨著 list 大小的增加，耗時也會跟著線性增加。并行流

可以大大縮短這個時間。并行流處理該集合的方法如下：

appleList.parallelStream().forEach(apple?->?apple.setPrice(5.0?*?apple.getWeight()?/?1000));

和普通流的區(qū)別是這里調(diào)用的?parallelStream()?方法。當(dāng)然也可以通過 stream.parallel() 將普通流轉(zhuǎn)換成并行流。并行流也能通過 sequential() 方法轉(zhuǎn)換為順序流。

但要注意：流的并行和順序轉(zhuǎn)換不會對流本身做任何實際的變化，僅僅是打了個標(biāo)記而已。并且在一條流水線上對流進(jìn)行多次并行 / 順序的轉(zhuǎn)換，生效的是最后一次的方法調(diào)用

并行流如此方便，它的線程從那里來呢？有多少個？怎么配置呢？

并行流內(nèi)部使用了默認(rèn)的 ForkJoinPool 線程池。默認(rèn)的線程數(shù)量就是處理器的核心數(shù)，而配置系統(tǒng)核心屬性：java.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism 可以改變線程池大小。

不過該值是全局變量。改變他會影響所有并行流。目前還無法為每個流配置專屬的線程數(shù)。一般來說采用處理器核心數(shù)是不錯的選擇

測試并行流的性能

為了更容易的測試性能，我們在每次計算完蘋果價格后，讓線程睡 1s，表示在這期間執(zhí)行了其他 IO 相關(guān)的操作，并輸出程序執(zhí)行耗時,順序執(zhí)行的耗時：

public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?{
????List?appleList?=?initAppleList();

????Date?begin?=?new?Date();
????for?(Apple?apple?:?appleList)?{
????????apple.setPrice(5.0?*?apple.getWeight()?/?1000);
????????Thread.sleep(1000);
????}
????Date?end?=?new?Date();
????log.info("蘋果數(shù)量：{}個, 耗時：{}s",?appleList.size(),?(end.getTime()?-?begin.getTime())?/1000);
}

并行版本

List?appleList?=?initAppleList();

Date?begin?=?new?Date();
appleList.parallelStream().forEach(apple?->
????{
??????apple.setPrice(5.0?*?apple.getWeight()?/?1000);
??????try?{
????????????Thread.sleep(1000);
??????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
??????????????e.printStackTrace();
??????????}
?????}
?);
Date?end?=?new?Date();
log.info("蘋果數(shù)量：{}個, 耗時：{}s",?appleList.size(),?(end.getTime()?-?begin.getTime())?/1000);

耗時情況

跟我們的預(yù)測一致，我的電腦是 四核I5 處理器，開啟并行后四個處理器每人執(zhí)行一個線程，最后 1s 完成了任務(wù)！

并行流可以隨便用嗎？

可拆分性影響流的速度

通過上面的測試，有的人會輕易得到一個結(jié)論：并行流很快，我們可以完全放棄 foreach/fori/iter 外部迭代，使用 Stream 提供的內(nèi)部迭代來實現(xiàn)了。

事實真的是這樣嗎？并行流真的如此完美嗎？答案當(dāng)然是否定的。大家可以復(fù)制下面的代碼，在自己的電腦上測試。測試完后可以發(fā)現(xiàn)，并行流并不總是最快的處理方式。

1.對于 iterate 方法來處理的前 n 個數(shù)字來說，不管并行與否，它總是慢于循環(huán)的，非并行版本可以理解為流化操作沒有循環(huán)更偏向底層導(dǎo)致的慢。 可并行版本是為什么慢呢？這里有兩個需要注意的點：

1. iterate 生成的是裝箱的對象，必須拆箱成數(shù)字才能求和

2. 我們很難把 iterate 分成多個獨立的塊來并行執(zhí)行

這個問題很有意思，我們必須意識到某些流操作比其他操作更容易并行化。對于 iterate 來說，每次應(yīng)用這個函數(shù)都要依賴于前一次應(yīng)用的結(jié)果。

因此在這種情況下，我們不僅不能有效的將流劃分成小塊處理。反而還因為并行化再次增加了開支。

2.而對于 LongStream.rangeClosed() 方法來說，就不存在 iterate 的第兩個痛點了。 它生成的是基本類型的值，不用拆裝箱操作，另外它可以直接將要生成的數(shù)字 1 - n 拆分成 1 - n/4， 1n/4 - 2n/4， ... 3n/4 - n 這樣四部分。因此并行狀態(tài)下的 rangeClosed() 是快于 for 循環(huán)外部迭代的

package?lambdasinaction.chap7;

import?java.util.stream.*;

public?class?ParallelStreams?{

????public?static?long?iterativeSum(long?n)?{
????????long?result?=?0;
????????for?(long?i?=?0;?i?<=?n;?i++)?{
????????????result?+=?i;
????????}
????????return?result;
????}

????public?static?long?sequentialSum(long?n)?{
????????return?Stream.iterate(1L,?i?->?i?+?1).limit(n).reduce(Long::sum).get();
????}

????public?static?long?parallelSum(long?n)?{
????????return?Stream.iterate(1L,?i?->?i?+?1).limit(n).parallel().reduce(Long::sum).get();
????}

????public?static?long?rangedSum(long?n)?{
????????return?LongStream.rangeClosed(1,?n).reduce(Long::sum).getAsLong();
????}

????public?static?long?parallelRangedSum(long?n)?{
????????return?LongStream.rangeClosed(1,?n).parallel().reduce(Long::sum).getAsLong();
????}

}

~

package?lambdasinaction.chap7;

import?java.util.concurrent.*;
import?java.util.function.*;

public?class?ParallelStreamsHarness?{

????public?static?final?ForkJoinPool?FORK_JOIN_POOL?=?new?ForkJoinPool();

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????System.out.println("Iterative?Sum?done?in:?"?+?measurePerf(ParallelStreams::iterativeSum,?10_000_000L)?+?"?msecs");
????????System.out.println("Sequential?Sum?done?in:?"?+?measurePerf(ParallelStreams::sequentialSum,?10_000_000L)?+?"?msecs");
????????System.out.println("Parallel?forkJoinSum?done?in:?"?+?measurePerf(ParallelStreams::parallelSum,?10_000_000L)?+?"?msecs"?);
????????System.out.println("Range?forkJoinSum?done?in:?"?+?measurePerf(ParallelStreams::rangedSum,?10_000_000L)?+?"?msecs");
????????System.out.println("Parallel?range?forkJoinSum?done?in:?"?+?measurePerf(ParallelStreams::parallelRangedSum,?10_000_000L)?+?"?msecs"?);
????}

????public?static??long?measurePerf(Function?f,?T?input)?{
????????long?fastest?=?Long.MAX_VALUE;
????????for?(int?i?=?0;?i?10;?i++)?{
????????????long?start?=?System.nanoTime();
????????????R?result?=?f.apply(input);
????????????long?duration?=?(System.nanoTime()?-?start)?/?1_000_000;
????????????System.out.println("Result:?"?+?result);
????????????if?(duration?????????}
????????return?fastest;
????}
}

共享變量修改的問題

并行流雖然輕易的實現(xiàn)了多線程，但是仍未解決多線程中共享變量的修改問題。下面代碼中存在共享變量 total，分別使用順序流和并行流計算前n個自然數(shù)的和

public?static?long?sideEffectSum(long?n)?{
????Accumulator?accumulator?=?new?Accumulator();
????LongStream.rangeClosed(1,?n).forEach(accumulator::add);
????return?accumulator.total;
}

public?static?long?sideEffectParallelSum(long?n)?{
????Accumulator?accumulator?=?new?Accumulator();
????LongStream.rangeClosed(1,?n).parallel().forEach(accumulator::add);
????return?accumulator.total;
}

public?static?class?Accumulator?{
????private?long?total?=?0;

????public?void?add(long?value)?{
????????total?+=?value;
????}
}

順序執(zhí)行每次輸出的結(jié)果都是：50000005000000，而并行執(zhí)行的結(jié)果卻五花八門了。這是因為每次訪問 totle 都會存在數(shù)據(jù)競爭，關(guān)于數(shù)據(jù)競爭的原因，大家可以看看關(guān)于 volatile 的博客。因此當(dāng)代碼中存在修改共享變量的操作時，是不建議使用并行流的。

并行流的使用注意

在并行流的使用上有下面幾點需要注意：

1.盡量使用 LongStream / IntStream / DoubleStream 等原始數(shù)據(jù)流代替 Stream 來處理數(shù)字，以避免頻繁拆裝箱帶來的額外開銷

2.要考慮流的操作流水線的總計算成本 ，假設(shè) N 是要操作的任務(wù)總數(shù)，Q 是每次操作的時間。N * Q 就是操作的總時間，Q 值越大就意味著使用并行流帶來收益的可能性越大

例如：前端傳來幾種類型的資源，需要存儲到數(shù)據(jù)庫。每種資源對應(yīng)不同的表。我們可以視作類型數(shù)為 N，存儲數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)耗時 + 插入操作耗時為 Q。一般情況下網(wǎng)絡(luò)耗時都是比較大的。因此該操作就比較適合并行處理。當(dāng)然當(dāng)類型數(shù)目大于核心數(shù)時，該操作的性能提升就會打一定的折扣了。更好的優(yōu)化方法在日后的博客會為大家奉上

3.對于較少的數(shù)據(jù)量，不建議使用并行流

4.容易拆分成塊的流數(shù)據(jù)，建議使用并行流

以下是一些常見的集合框架對應(yīng)流的可拆分性能表