并发编程 - FutureTask 解析

公众号新闻

2023-08-11 11:08

来源 | OSCHINA 社区

作者 | 京东云开发者-京东物流丁冬

原文链接：https://my.oschina.net/u/4090830/blog/10091211

1、FutureTask 对象介绍

Future 对象大家都不陌生，是 JDK1.5 提供的接口，是用来以阻塞的方式获取线程异步执行完的结果。

在 Java 中想要通过线程执行一个任务，离不开 Runnable 与 Callable 这两个接口。

Runnable 与 Callable 的区别在于，Runnable 接口只有一个 run 方法，该方法用来执行逻辑，但是并没有返回值；而 Callable 的 call 方法，同样用来执行业务逻辑，但是是有一个返回值的。

Callable 执行任务过程中可以通过 FutureTask 获得任务的执行状态，并且可以在执行完成后通过 Future.get () 方式获取执行结果。

Future 是一个接口，而 FutureTask 就是 Future 的实现类。并且 FutureTask 实现了 RunnableFuture（Runnable + Future），说明我们可以创建一个 FutureTask 并直接把它放到线程池执行，然后获取 FutureTask 的执行结果。

2、FutureTask 源码解析

2.1 主要方法和属性

那么 FutureTask 是如何通过阻塞的方式来获取到异步线程执行的结果的呢？我们看下 FutureTask 中的属性。

// FutureTask的状态及其常量
privatevolatileint state;
    privatestaticfinalint NEW          =0;
    privatestaticfinalint COMPLETING   =1;
    privatestaticfinalint NORMAL       =2;
    privatestaticfinalint EXCEPTIONAL  =3;
    privatestaticfinalint CANCELLED    =4;
    privatestaticfinalint INTERRUPTING =5;
    privatestaticfinalint INTERRUPTED  =6;
    
    // callable对象，执行完后置空
    privateCallable<V> callable;
    // 要返回的结果或要引发的异常来自 get() 方法
    privateObject outcome;// non-volatile, protected by state reads/writes
    // 执行Callable的线程
    privatevolatileThread runner;
    // 等待线程的一个链表结构
    privatevolatileWaitNode waiters;

FutureTask 中几个比较重要的方法。

// 取消任务的执行
booleancancel(boolean mayInterruptIfRunning);
// 返回任务是否已经被取消
booleanisCancelled();
// 返回任务是否已经完成，任务状态不为NEW即为完成
booleanisDone();
// 通过get方法获取任务的执行结果
Vget()throwsInterruptedException,ExecutionException;
// 通过get方法获取任务的执行结果，带有超时，如果超过给定时间则抛出异常
Vget(long timeout,TimeUnit unit)
        throwsInterruptedException,ExecutionException,TimeoutException;

2.2 FutureTask 执行

当我们在线程池中执行一个 Callable 方法时，其实是将 Callable 任务封装成一个 RunnableFuture 对象去执行，同时将这个 RunnableFuture 对象返回，这样我们就拿到了 FutureTask 的引用，可以随时获取到任务执行的状态，并且可以在任务执行完成后通过该对象获取执行结果。

以下为 ThreadPoolExecutor 线程池提交一个 callable 方法的源码。

public<T> Future<T> submit(Callable<T> task){
        if(task ==null)thrownewNullPointerException();
        RunnableFuture<T> ftask =newTaskFor(task);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }
	
	protected<T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable){
        returnnewFutureTask<T>(callable);
    }

2.3 run 方法介绍

RunnableFuture 其实也是一个可以执行的 runnable，我们看下他的 run 方法。其主要流程就是执行 call 方法，正常执行完毕后将 result 结果赋值到 outcome 属性上。

publicvoidrun(){
        if(state != NEW ||
            !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                         null,Thread.currentThread()))
            return;
        try{
            // 将callable赋值到本地变量
            Callable<V> c = callable;
            // 判断callable不为空并且FutureTask的状态必须为新创建
            if(c !=null&& state == NEW){
                V result;
                boolean ran;
                try{
                    // 执行call方法（用户自己实现的call逻辑），并获取到result结果
                    result = c.call();
                    ran =true;
                }catch(Throwable ex){
                    result =null;
                    ran =false;
                    // 如果执行过程出现异常，则将异常对象赋值到outcome上
                    setException(ex);
                }
                // 如果正常执行完毕，则将result赋值到outcome属性上
                if(ran)
                    set(result);
            }
        }finally{
            // runner must be non-null until state is settled to
            // prevent concurrent calls to run()
            runner =null;
            // state must be re-read after nulling runner to prevent
            // leaked interrupts
            int s = state;
            if(s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
    }

以下逻辑为正常执行完成后赋值的逻辑。

// 如果任务没有被取消，将future执行完的返回值赋值给result结果
// FutureTask任务的执行状态是通过CAS的方式进行赋值的，并且由此可知，COMPLETING其实是一个瞬时状态
// 当将线程执行结果赋值给outcome后，状态会修改为对应的NORMAL，即正常结束
protectedvoidset(V v){
        if(UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)){
            outcome = v;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL);// final state
            finishCompletion();
        }
    }

以下为执行异常时赋值逻辑，直接将 Throwable 对象赋值到 outcome 属性上。

protectedvoidsetException(Throwable t){
        if(UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)){
            outcome = t;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL);// final state
            finishCompletion();
        }
    }

无论是正常执行还是异常执行，最终都会调用一个 finishCompletion 方法，用来做工作的收尾工作。

2.4 get 方法介绍

Future 的 get 方法有两个重载的方法，一个是 get () 获取结果，一个是 get (long, TimeUnit) 带有超时时间的获取结果，我们看下 FutureTask 中的这两个方法是如何实现的。

// 不带有超时时间，一直阻塞直到获取结果
publicVget()throwsInterruptedException,ExecutionException{
        int s = state;
        if(s <= COMPLETING)
            // 等待结果完成，带有超时的get方法也是调用的awaitDone方法
            s =awaitDone(false,0L);
        // 返回结果
        returnreport(s);
    }

// 带有超时时间的获取结果，如果超过时间还没有获取到结果则抛出异常
publicVget(long timeout,TimeUnit unit)
        throwsInterruptedException,ExecutionException,TimeoutException{
        if(unit ==null)
            thrownewNullPointerException();
        int s = state;
        // 如果任务未中断，调用awaitDone方法等待任务结果
        if(s <= COMPLETING &&
            (s =awaitDone(true, unit.toNanos(timeout)))<= COMPLETING)
            thrownewTimeoutException();
        // 返回结果
        returnreport(s);
    }

我们主要看下 awaitDone 方法的执行逻辑。此方法会通过 for 循环的方式一直阻塞等待任务执行完成。如果带有超时时间，则超过截止时间后会直接返回。

// timed：是否需要超时获取
// nanos：超时时间单位纳秒
privateintawaitDone(boolean timed,long nanos)
        throwsInterruptedException{
        finallong deadline = timed ?System.nanoTime()+ nanos :0L;
        WaitNode q =null;
        boolean queued =false;
        // 此方法会一直for循环判断任务状态是否已经完成，是Future.get阻塞的原因
        for(;;){
            if(Thread.interrupted()){
                removeWaiter(q);
                thrownewInterruptedException();
            }

            int s = state;
            // 任务状态大于COMPLETING，则表明任务结束，直接返回
            if(s > COMPLETING){
                if(q !=null)
                    q.thread =null;
                return s;
            }
            elseif(s == COMPLETING)// cannot time out yet
                // Thread.yield() 方法，使当前线程由执行状态，变成为就绪状态，让出cpu时间，在下一个线程执行时候，此线程有可能被执行，也有可能没有被执行。
                // COMPLETING状态为瞬时状态，任务执行完成，要么是正常结束，要么异常结束，后续会被置为NORMAL或者EXCEPTIONAL
                Thread.yield();
            elseif(q ==null)
                // 每调用一次get方法，都会创建一个WaitNode等待节点
                q =newWaitNode();
            elseif(!queued)
                // 将该等待节点添加到链表结构waiters中，q.next = waiters 即在waiters的头部插入
                queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                     q.next = waiters, q);
            // 如果方法带有超时判断，则判断当前时间是否已经超过了截止时间，如果超过了及截止日期，则退出循环直接返回当前状态，此时任务状态一定是NEW
            elseif(timed){
                nanos = deadline -System.nanoTime();
                if(nanos <=0L){
                    removeWaiter(q);
                    return state;
                }
                LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
            else
                LockSupport.park(this);
        }
    }

我们在看下 report 方法，在调用 get 方法时是如何返回结果的。

这里首先获取 outcome 的值，并判断任务是否已经执行完成，如果执行完成，则将 outcome 对象强转成泛型指定的类型；如果任务被取消了，则抛出一个 CancellationException 异常；如果都不是，则说明任务在执行过程中发生了异常，此时任务状态位 EXCEPTIONAL，此时的 outcome 即为 Throwable 对象，所以将 outcome 强转为 Throwable 并抛出异常。

由此可以知道，我们将一个 FutureTask 任务 submit 到线程池中执行的时候，如果发生了异常，是会在调用 get 方法的时候抛出的。

privateVreport(int s)throwsExecutionException{
        Object x = outcome;
        if(s == NORMAL)
            return(V)x;
        if(s >= CANCELLED)
            thrownewCancellationException();
        thrownewExecutionException((Throwable)x);
    }

2.5 cancel 方法介绍

cancel 方法用于取消正在运行的任务，如果任务取消成功，则返回 TRUE，如果取消失败则返回 FALSE。

// mayInterruptIfRunning：允许中断正在运行的任务
publicbooleancancel(boolean mayInterruptIfRunning){
        // mayInterruptIfRunning如果为true则将状态置为INTERRUPTING，如果未false则将状态置为CANCELLED
        if(!(state == NEW &&
              UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
                  mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
            returnfalse;
        // 如果状态修改成功后，判断是否允许中断线程，如果允许，则调用Thread的interrupt方法中断
        try{// in case call to interrupt throws exception
            if(mayInterruptIfRunning){
                try{
                    Thread t = runner;
                    if(t !=null)
                        t.interrupt();
                }finally{// final state
                    UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
                }
            }
        }finally{
            // 取消后的收尾工作
            finishCompletion();
        }
        returntrue;
    }

2.6 isDone/isCancelled 方法介绍

isDone 方法用于判断 FutureTask 是否已经完成；isCancelled 方法用来判断 FutureTask 是否已经取消，这两个方法都是通过状态位来判断的。

publicbooleanisCancelled(){
        return state >= CANCELLED;
    }

    publicbooleanisDone(){
        return state != NEW;
    }

2.7 finishCompletion 方法介绍

我们看下 finishCompletion 方法都做了哪些工作。

// 删除所有等待线程并发出信号，最后执行done方法
privatevoidfinishCompletion(){
        // assert state > COMPLETING;
        for(WaitNode q;(q = waiters)!=null;){
            if(UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q,null)){
                for(;;){
                    Thread t = q.thread;
                    if(t !=null){
                        q.thread =null;
                        LockSupport.unpark(t);
                    }
                    WaitNode next = q.next;
                    if(next ==null)
                        break;
                    q.next =null;// unlink to help gc
                    q = next;
                }
                break;
            }
        }

        done();

        callable =null;// to reduce footprint
    }

我们看到 done 方法是一个受保护的空方法，此处没有任何逻辑，由其子类去根据自己的业务去实现相应的逻辑。例如：java.util.concurrent.ExecutorCompletionService.QueueingFuture。

protectedvoiddone(){}

3、总结

通过源码解读可以了解到 Future 的原理：

第一步：主线程将任务封装成一个 Callable 对象，通过 submit 方法提交到线程池去执行。

第二步：线程池执行任务的 run 方法，主线程则可以继续执行其他逻辑。

第三步：线程池中方法执行完成后将结果赋值到 outcome 属性上，并修改任务状态。

第四步：主线程在需要拿到异步任务结果的时候，主动调用 fugure.get () 方法来获取结果。

第五步：如果异步线程在执行过程中发生异常，则会在调用 future.get () 方法的时候抛出来。

以上就是对于 FutureTask 的分析，我们可以了解 FutureTask 任务执行的方式以及 Future.get 已阻塞的方式获取线程执行的结果原理，并且从代码中可以了解 FutureTask 的任务执行状态以及状态的变化过程。

END

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来源: qq

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