JAVA 多线程分段 Embedding 出现乱序？CompletionService 来救场！
各位听众，大家好。今天我们来聊聊一个在实际项目中经常遇到的问题：使用 Java 多线程进行分段 Embedding 时出现乱序，以及如何利用 CompletionService 来协调结果，保证输出顺序的正确性。
什么是 Embedding？为什么要分段和多线程？
首先，我们简单了解一下 Embedding。Embedding 是一种将离散数据（例如文本、图像、音频）转换成连续向量空间的技术。这些向量可以捕捉原始数据的语义信息，方便进行后续的机器学习任务，例如相似度计算、分类、聚类等。
在处理大规模数据时，例如对一篇很长的文章进行 Embedding，直接一次性处理可能会导致内存溢出或者处理时间过长。因此，我们通常会将数据分成多个段落，然后分别进行 Embedding。
而为了提高处理效率，我们会使用多线程并行处理这些段落。这就是分段 Embedding + 多线程的由来。
乱序是如何产生的？
当我们使用多线程并行处理分段 Embedding 时，每个线程处理一个段落，并将 Embedding 结果存储在一个列表中。问题就出在这里：线程的执行顺序是不确定的，因此，Embedding 结果的写入顺序也可能与原始段落的顺序不一致，从而导致乱序。
举个例子，假设我们有 3 个段落需要 Embedding，分别交给线程 A、B、C 处理。线程 B 先完成了 Embedding，并将结果写入列表，然后线程 A 完成，再是线程 C。那么，列表中的 Embedding 结果顺序就是 B、A、C，而不是我们期望的 A、B、C。
如何解决乱序问题？
解决乱序问题，需要保证 Embedding 结果的写入顺序与原始段落的顺序一致。有几种常见的解决方案：
-
使用
synchronized关键字或ReentrantLock锁： 这可以保证对共享列表的写入操作是原子性的，避免多个线程同时写入导致数据覆盖或错乱。但是，这种方案会引入锁竞争，降低并发效率。 -
使用
ConcurrentSkipListMap：ConcurrentSkipListMap是一个线程安全的有序 Map，可以根据段落的索引作为 key，Embedding 结果作为 value 存储。这种方案可以保证结果的顺序，但也会引入额外的空间开销。 -
使用
CompletionService：CompletionService专门用于异步任务的管理和结果的获取。它可以按照任务完成的顺序获取结果，从而保证输出顺序的正确性，同时充分利用多线程的并发优势。
接下来，我们将重点介绍如何使用 CompletionService 来解决乱序问题。
CompletionService 登场！
CompletionService 是 Java 并发包 java.util.concurrent 中的一个接口，它将任务的提交和结果的获取分离开来。它内部维护一个阻塞队列，已完成的任务的结果会被放入队列中，我们可以按照任务完成的顺序从队列中获取结果。
CompletionService 的主要方法：
submit(Callable<T> task)：提交一个任务。take()：阻塞方法，直到队列中有结果可用，并返回该结果。poll()：非阻塞方法，如果队列中有结果可用，则返回该结果，否则返回null。poll(long timeout, TimeUnit unit)：带超时时间的非阻塞方法，如果在指定时间内队列中有结果可用，则返回该结果，否则返回null。
使用 CompletionService 解决乱序问题
下面我们通过一个示例代码来演示如何使用 CompletionService 解决分段 Embedding 的乱序问题。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;
public class SegmentEmbedding {
private static final int NUM_THREADS = 4; // 线程数
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
// 模拟需要 Embedding 的文本段落
List<String> segments = new ArrayList<>();
segments.add("This is the first segment.");
segments.add("This is the second segment.");
segments.add("This is the third segment.");
segments.add("This is the fourth segment.");
segments.add("This is the fifth segment.");
// 创建 ExecutorService 和 CompletionService
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(NUM_THREADS);
CompletionService<EmbeddingResult> completionService = new ExecutorCompletionService<>(executor);
// 提交任务
for (int i = 0; i < segments.size(); i++) {
final int index = i;
final String segment = segments.get(i);
completionService.submit(() -> {
// 模拟 Embedding 过程
try {
Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000)); // 模拟不同段落的 Embedding 时间不同
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
String embedding = "Embedding of segment " + index + ": " + segment;
return new EmbeddingResult(index, embedding);
});
}
// 获取结果并按照顺序输出
List<EmbeddingResult> results = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < segments.size(); i++) {
Future<EmbeddingResult> future = completionService.take(); // 阻塞直到有结果
EmbeddingResult result = future.get();
results.add(result);
System.out.println("Segment " + result.getIndex() + ": " + result.getEmbedding());
}
// 关闭 ExecutorService
executor.shutdown();
executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
// 验证结果顺序
boolean isOrdered = true;
for (int i = 0; i < results.size(); i++) {
if (results.get(i).getIndex() != i) {
isOrdered = false;
break;
}
}
System.out.println("Results are ordered: " + isOrdered);
}
// 定义 Embedding 结果类
static class EmbeddingResult {
private final int index;
private final String embedding;
public EmbeddingResult(int index, String embedding) {
this.index = index;
this.embedding = embedding;
}
public int getIndex() {
return index;
}
public String getEmbedding() {
return embedding;
}
}
}代码解释：
-
创建
ExecutorService和CompletionService： 我们首先创建一个固定大小的线程池ExecutorService，然后使用它来创建一个CompletionService。ExecutorCompletionService是CompletionService的一个实现类。 -
提交任务： 我们遍历所有的段落，为每个段落创建一个
Callable任务，并使用completionService.submit()方法将任务提交给线程池。每个任务模拟了 Embedding 过程，并返回一个EmbeddingResult对象，其中包含了段落的索引和 Embedding 结果。 -
获取结果并按照顺序输出： 我们使用一个循环来获取所有任务的结果。
completionService.take()方法会阻塞，直到队列中有结果可用。当一个任务完成时，它的结果会被放入队列中，take()方法会返回该结果。由于take()方法会按照任务完成的顺序返回结果，因此，我们可以保证输出的顺序与原始段落的顺序一致。 -
关闭
ExecutorService： 在所有任务都完成后，我们需要关闭ExecutorService，释放资源。 -
验证结果顺序： 最后，我们验证结果列表中的
EmbeddingResult对象是否按照索引顺序排列。
运行结果：
运行上面的代码，你会发现，即使线程的执行顺序是不确定的，最终的输出结果仍然是按照原始段落的顺序排列的。例如：
Segment 0: Embedding of segment 0: This is the first segment.
Segment 1: Embedding of segment 1: This is the second segment.
Segment 2: Embedding of segment 2: This is the third segment.
Segment 3: Embedding of segment 3: This is the fourth segment.
Segment 4: Embedding of segment 4: This is the fifth segment.
Results are ordered: trueCompletionService 的优势
使用 CompletionService 解决乱序问题，相比于其他方案，具有以下优势：
- 简单易用：
CompletionService的 API 非常简单，易于理解和使用。 - 高效并发：
CompletionService可以充分利用多线程的并发优势，提高处理效率。 - 无锁竞争：
CompletionService内部使用阻塞队列来协调结果，避免了锁竞争，提高了并发性能。 - 结果顺序保证：
CompletionService可以按照任务完成的顺序获取结果，保证输出顺序的正确性。
与其他方案的比较
| 方案 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
synchronized 或 ReentrantLock |
简单，容易理解 | 锁竞争，降低并发效率 | 数据量小，并发要求不高的场景 |
ConcurrentSkipListMap |
线程安全，结果有序 | 额外的空间开销 | 需要频繁的插入和查找，并且需要保证结果有序的场景 |
CompletionService |
简单易用，高效并发，无锁竞争，结果顺序保证 | 需要一定的学习成本 | 大规模数据，高并发，需要保证结果顺序的场景 |
扩展与优化
- 异常处理： 在实际项目中，我们需要考虑异常处理。如果某个任务抛出异常，
completionService.take()方法也会抛出ExecutionException。我们需要捕获并处理这些异常，避免程序崩溃。 - 任务取消： 可以使用
Future.cancel()方法来取消未完成的任务。 - 监控： 可以使用 JMX 或其他监控工具来监控任务的执行情况，例如任务的完成数量、平均执行时间等。
小结
今天，我们深入探讨了在 Java 多线程分段 Embedding 场景下出现乱序问题的原因，并重点介绍了如何利用 CompletionService 来协调结果，保证输出顺序的正确性。CompletionService 以其简单易用、高效并发、无锁竞争等优势，成为解决此类问题的首选方案。希望今天的讲解能够帮助大家在实际项目中更好地应用多线程技术，提升程序的性能和可靠性。
CompletionService 让多线程编程更安全
CompletionService 通过分离任务提交和结果获取，并保证结果按照任务完成顺序返回，有效解决了多线程分段处理任务时的乱序问题。它提供了一种简洁、高效、线程安全的方式来管理异步任务，使得多线程编程更加安全可靠。