并发模式（二）Master-Worker模式

Master-Worker模式是一种使用多线程进行数据处理的结构。多个Worker进程协作处理用户请求，Master进程负责维护Worker进程，并整合最终处理结果。

概念

Master-Worker模式是常用的并行模式之一。系统有两类进程协作工作：Master进程和Worker进程。Master进程负责接收和分配任务，Worker进程负责处理子任务。当所有的Worker进程将子任务完成以后，将结果返回给Master进程，由Master进程做归纳和总结。

工作示意图

模式结构图

Master维护任务队列、Worker进程队列、子任务结果集

代码实现

Master-Worker模式简易实现

Master

public class Master{
//任务队列
protected Queue<Object> taskQueue=new ConcurrentLinkedQueue<>();
//子任务结果集
protected Map<String ,Object>  resultMap=new HashMap<>();
//worker进程队列
protected Map<String ,Thread> threadMap=new HashMap<>();

//判断所有的子任务是否都结束
public boolean isComeplete(){
for (Map.Entry<String,Thread> entry:threadMap.entrySet()){
if (entry.getValue().getState()!= Thread.State.TERMINATED){
return false;
            }
        }
return true;
    }

public Master(Worker worker,int countWorker){
        worker.setWorkQueue(taskQueue);
        worker.setResultMap(resultMap);
for (int i=0;i<countWorker;i++){
            threadMap.put(Integer.toString(i),new Thread(worker,Integer.toString(i)));
        }
    }

//提交一个子任务
public void submit(Object o){
        taskQueue.add(o);
    }

//返回子任务结果集
public Map<String ,Object> getResultMap(){
return resultMap;
    }

//开始运行所有的worker进程
public void execute(){
for (Map.Entry<String,Thread> entry:threadMap.entrySet()){
            entry.getValue().start();
        }
    }
}

Worker

public class Worker implements Runnable{
//子任务队列，用于取得任务
protected Queue<Object> workQueue;

//子任务结果集
protected Map<String,Object> resultMap;

public void setWorkQueue(Queue<Object> workQueue) {
this.workQueue = workQueue;
    }

public void setResultMap(Map<String, Object> resultMap) {
this.resultMap = resultMap;
    }

//子任务的处理逻辑，在子类中实现具体逻辑
public Object handle(Object input){
return input;
    }

@Override
public void run() {
while (true){
            Object input=workQueue.poll();
if (input==null) break;;
            Object re=handle(input);

            resultMap.put(Integer.toString(input.hashCode()),re);
        }
    }
}

实战

计算100以内的数字的立方和

CubePlusWorker

public class CubePlusWorker extends Worker {
//子任务具体实现逻辑
@Override
public Object handle(Object input) {
        Integer integer=Integer.valueOf(input.toString());
return integer*integer*integer;
    }
}

Main

public class Main {
public static void main(String[] args) {
long s=System.nanoTime();
        CubePlusWorker cube = new CubePlusWorker();
        Master master = new Master(cube, 10);
//分解为100个子任务
for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            master.submit(i);
        }
//执行子任务
        master.execute();
        Integer result = 0;
        System.out.println("每个子任务的执行结果是：");
for (Map.Entry<String, Object> entry : master.getResultMap().entrySet()) {
            System.out.println(entry.getKey() + " : " + entry.getValue());
            result += Integer.valueOf(entry.getValue().toString());
        }
        System.out.println("开始汇总计算结果：");
if (result != 0 && master.isComeplete()) {
            System.out.println("The SUM is : " + result);
        }
        System.out.println("Cost time :"+(System.nanoTime()-s)+"ns");
    }
}

执行结果：

开始汇总计算结果：
The SUM is : 17236269
Cost time :3900697ns

不使用Master-Worker模式的程序执行时间要比这个快很多。

实战优化

优化计算代码。不需要等待所有Worker都执行完，即可开始计算最终结果。

public class Main {
public static void main(String[] args) {
long s = System.nanoTime();
        Master master=new Master(new CubePlusWorker(),10);
for(int i=1;i<=100;i++){
            master.submit(i);
        }
        master.execute();
        Map<String,Object> resultMap=master.getResultMap();
int result=0;
while (resultMap.size()>0 || !master.isComeplete()){
            Set<String> keys=resultMap.keySet();
            String key=null;
for (String k:keys){
                key=k;
break;
            }
            Integer i=null;
if (key!=null){
                i= (Integer) resultMap.get(key);
            }
//最终结果
if (i!=null){
                result+=i;
            }
//移除已被计算过的
if (key!=null){
                resultMap.remove(key);
            }
        }
        System.out.println("The SUM is : " + result);
        System.out.println("Cost time :" + (System.nanoTime() - s) + "ns");
    }
}

Master-Worker模式是一种将串行任务并行化的方法，被分解的子任务在系统中可以被并行处理。同时，Master进程不需要等待所有子任务都完成，就可以根据已有的部分结果集计算最终结果。