Java의 Fork/Join 프레임워크란 무엇입니까?

1. Fork/Join 프레임워크란 무엇입니까?

Fork/Join 프레임워크는 Java 7에 도입된 java.util.concurrent 패키지의 일부입니다. 이는 각 청크를 처리할 수 있는 더 작은 청크로 재귀적으로 나눌 수 있는 작업을 위해 설계되었습니다. 독립적으로. 프레임워크는 분할 정복 원칙에 따라 작동하므로 정렬, 검색 및 기타 재귀 알고리즘과 같은 작업에 이상적입니다.

2. Fork/Join 프레임워크 구현

2.1 ForkJoin태스크

ForkJoinTask는 Fork/Join 프레임워크 내에서 실행할 수 있는 작업의 기본 클래스입니다. 작업이 새 하위 작업을 포크하고 완료되면 결합할 수 있는 핵심 작업을 제공합니다.

예:

import java.util.concurrent.RecursiveTask;

public class SumTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private final int[] arr;
    private final int start, end;

    public SumTask(int[] arr, int start, int end) {
        this.arr = arr;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        if (end - start <= 10) {
            int sum = 0;
            for (int i = start; i < end; i++) {
                sum += arr[i];
            }
            return sum;
        } else {
            int mid = (start + end) / 2;
            SumTask leftTask = new SumTask(arr, start, mid);
            SumTask rightTask = new SumTask(arr, mid, end);

            leftTask.fork();
            int rightResult = rightTask.compute();
            int leftResult = leftTask.join();

            return leftResult + rightResult;
        }
    }
}

2.2 ForkJoinPool

ForkJoinPool은 ForkJoinTask 인스턴스를 실행하기 위해 작업자 스레드 풀을 관리하는 중앙 클래스입니다. 작업 도용 알고리즘을 사용하여 바쁜 스레드에서 유휴 스레드로 작업을 재분배하여 모든 스레드를 바쁜 상태로 유지합니다.

예:

import java.util.concurrent.ForkJoinPool;

public class ForkJoinExample {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[100];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            arr[i] = i + 1;
        }

        ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
        SumTask task = new SumTask(arr, 0, arr.length);

        int result = pool.invoke(task);
        System.out.println("Sum: " + result);
    }
}

2.3 RecursiveTask와 RecursiveAction

RecursiveTask 는 작업이 결과를 반환할 때 사용되고, RecursiveAction은 결과를 반환하지 않을 때 사용됩니다.

RecursiveAction을 사용한 예:

import java.util.concurrent.RecursiveAction;

public class PrintTask extends RecursiveAction {
    private final int[] arr;
    private final int start, end;

    public PrintTask(int[] arr, int start, int end) {
        this.arr = arr;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected void compute() {
        if (end - start <= 10) {
            for (int i = start; i < end; i++) {
                System.out.print(arr[i] + " ");
            }
            System.out.println();
        } else {
            int mid = (start + end) / 2;
            PrintTask leftTask = new PrintTask(arr, start, mid);
            PrintTask rightTask = new PrintTask(arr, mid, end);

            invokeAll(leftTask, rightTask);
        }
    }
}

2.4 데모 및 결과

ForkJoinExample을 실행하면 배열 요소의 합계가 출력됩니다. Fork/Join 프레임워크는 작업을 더 작은 청크로 나누고 병렬로 처리하여 특히 대규모 데이터 세트의 경우 상당한 성능 향상을 보여줍니다.

예를 들어 1부터 100까지의 숫자를 합하면 다음과 같습니다.

Sum: 5050

PrintTask 의 경우 프레임워크는 배열 인쇄 작업을 나누어 병렬로 실행하고 세그먼트를 동시에 출력합니다.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 
...

3. 포크/조인 프레임워크의 다양한 차원

3.1 Fork/Join의 장점

• 효율성 : 사용 가능한 모든 CPU 코어를 활용하여 작업 실행 속도가 빨라집니다.
• 확장성 : 대규모 데이터 세트를 더 작고 관리 가능한 작업으로 나누어 처리할 수 있습니다.
• 작업 훔치기 : 과부하된 스레드에서 유휴 스레드로 작업을 재분배하여 모든 스레드를 바쁜 상태로 유지합니다.

3.2 Fork/Join의 단점

• 복잡성 : 주의 깊은 설계와 병렬성에 대한 이해가 필요하므로 코드 복잡성이 증가할 수 있습니다.
• 오버헤드 : 분기 및 조인 작업에는 고유한 오버헤드가 있으므로 소규모 작업에는 도움이 되지 않을 수 있습니다.
• 디버깅: 병렬 작업은 스레드 실행의 비결정적 특성으로 인해 디버그하기 어려울 수 있습니다.

3.3 Fork/Join을 사용하는 경우

• 큰 재귀 문제 : 정렬, 검색, 행렬 곱셈 등 자연스럽게 작은 하위 작업으로 분할되는 작업이 있는 경우
• 1
• CPU 바인딩된 작업 : 집약적인 CPU 계산이 필요하고 병렬 실행의 이점을 누릴 수 있는 작업입니다.

4. 결론

포크/조인 프레임워크는 병렬 처리 작업을 최적화하기 위한 Java의 강력한 도구입니다. 작업을 더 작은 하위 작업으로 나누고 독립적으로 실행한 다음 결합하여 최종 결과를 생성할 수 있는 시나리오에서 탁월합니다. 복잡성이 발생하지만 멀티 코어 환경의 성능 이점이 단점보다 더 큰 경우가 많으므로 CPU 제한 및 대규모 재귀 문제에 탁월한 선택이 됩니다.

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