简谈java并发FutureTask的实现

这篇文章主要介绍了简谈java并发FutureTask的实现,FutureTask都是用于获取线程执行的返回结果。文中通过示例代码介绍的非常详细，对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，,需要的朋友可以参考下

概述

在使用java多线程解决问题的时候，为了提高效率，我们常常会异步处理一些计算任务并在最后异步的获取计算结果，这个过程的实现离不开Future接口及其实现类FutureTask。FutureTask类实现了Runnable, Future接口，接下来我会通过源码对该类的实现进行详解。

使用

我们先看下FutureTask中的主要方法如下，可以看出FutureTask实现了任务及异步结果的集合功能。看到这块的方法，大家肯定会有疑问，Runnable任务的run方法返回空，FutureTask如何依靠该方法获取线程异步执行结果，这个问题，我们在下面给大家介绍。

 //以下五个方法实现接口Future中方法 public boolean isCancelled(); public boolean isDone(); public boolean cancel(); public V get() throws InterruptedException, ExecutionException; public V get(long timeout, TimeUnit unit); //实现接口Runnable中方法 public void run();

我们在使用中会构造一个FutureTask对象，然后将FutureTask扔到另一个线程中执行，而主线程继续执行其他业务逻辑，一段时间后主线程调用FutureTask的get方法获取执行结果。下面我们看一个简单的例子：

 /** * Created by yuanqiongqiong on 2019/4/9. */ public class FutureTaskTest { private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1); public static void main(String []args) { Callable callable = new AccCallable(1, 2); FutureTask futureTask = new FutureTask(callable); executorService.execute(futureTask); System.out.println("go to do other things in main thread"); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("go back in main thread"); try { int result = (int) futureTask.get(); System.out.println("result is " + result); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (ExecutionException e) { e.printStackTrace(); } } static class AccCallable implements Callable { private int a; private int b; public AccCallable(int a, int b) { this.a = a; this.b = b; } @Override public Integer call() throws Exception { System.out.println("acc a and b in threadId = " + Thread.currentThread().getName()); return a + b; } } }

输出结果为：

 go to do other things in main thread acc a and b in threadId = pool-1-thread-1 go back in main thread result is 3

实现分析

在分析实现前，我们先想下如果让我们实现一个类似FutureTask的功能，我们会如何做？因为需要获取执行结果，需要一个Object对象来存执行结果。任务执行时间不可控性，我们需要一个变量表示执行状态。其他线程会调用get方法获取结果，在没达到超时的时候需要将线程阻塞或挂起。

因此需要一个队列类似的结构存储等待该结果的线程信息，这样在任务执行线程完成后就可以唤醒这些阻塞或挂起的线程，得到结果。FutureTask的实际实现也是类似的逻辑，具体如下。

首先看下FutureTask的主要成员变量如下：

 //futureTask执行状态 private volatile int state; //具体的执行任务，会在run方法中抵用callable.call() private Callable callable; //执行结果 private Object outcome; //获取结果的等待线程节点 private volatile WaitNode waiters;

对于执行状态，在源码中已经有了非常清晰的解释，这里我只是贴出源码，不在进行说明，具体如下：

 /** * Possible state transitions: * NEW -> COMPLETING -> NORMAL * NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL * NEW -> CANCELLED * NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED */ private static final int NEW = 0; private static final int COMPLETING = 1; private static final int NORMAL = 2; private static final int EXCEPTIONAL = 3; private static final int CANCELLED = 4; private static final int INTERRUPTING = 5; private static final int INTERRUPTED = 6;

然后我们看下FutureTask的构造函数，如下：

 public FutureTask(Callable callable) { if (callable == null) throw new NullPointerException(); this.callable = callable; this.state = NEW; // ensure visibility of callable } public FutureTask(Runnable runnable, V result) { //构造函数传入runnable对象时调用静态工具类Executors的方法转换为一个callable对象 this.callable = Executors.callable(runnable, result); this.state = NEW; // ensure visibility of callable }

如前所述，FutureTask的执行线程中会调用其run()方法执行任务，我们看下这块逻辑：

 public void run() { //1.如果执行状态不是NEW或者有其他线程执行该任务，直接返回 if (state != NEW || !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread())) return; try { Callable c = callable; //2.如果执行状态是NEW,即任务还没执行，直接调用callable.call()方法获取执行结果 if (c != null && state == NEW) { V result; boolean ran; try { result = c.call(); ran = true; } catch (Throwable ex) { result = null; ran = false; //3.发生异常，更新status为EXCEPTIONAL，唤醒挂起线程 setException(ex); } //4.如果结果成功返回，调用set方法将设置outcome，更改status执行状态，唤醒挂起线程 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); } }

我们看下set函数的实现，具体看下4中的执行：

 protected void set(V v) { //将执行状态变更为COMPLETING if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { //设置执行结果 outcome = v; //设置执行状态为NORMAL UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state //执行完成后处理操作，具体就是遍历阻塞链表，删除链表节点，并唤醒每个节点关联的线程 finishCompletion(); } }

以上就是任务执行线程做的逻辑，以上逻辑也回答了FutureTask如何得到执行结果的疑问。下面我们看下用户调用get方法获取执行结果时的实现逻辑，这个时候FutureTask可能处理各种状态，即可能没有执行，执行中，已完成，发生异常等，具体如下：

 public V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException { if (unit == null) throw new NullPointerException(); int s = state; //执行状态是NEW或者COMPLETING时执行awaitDone将线程加入等待队列中并挂起线程 if (s <= COMPLETING && (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING) throw new TimeoutException(); //根据执行状态status进行结果封装 return report(s); } //我理解这块是get的核心逻辑 private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException { //如果设置了超时时间，计算还有多长时间超时 final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; WaitNode q = null; boolean queued = false; for (;;) { //如果当前线程被中断，删除等待队列中的节点，并抛出异常 if (Thread.interrupted()) { removeWaiter(q); throw new InterruptedException(); } int s = state; //如果执行状态已经完成或者发生异常，直接跳出自旋返回 if (s > COMPLETING) { if (q != null) q.thread = null; return s; } //如果执行状态是正在执行，说明线程已经被加入到等待队列中，放弃cpu进入下次循环(真正的自旋) else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet Thread.yield(); //第一次进入循环，创建节点 else if (q == null) q = new WaitNode(); //将节点加入到等待队列中，waiters相当于头阶段，不断将头结点更新为新节点 else if (!queued) queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q.next = waiters, q); else if (timed) { //如果设置了超时时间，在进行下次循环前查看是否已经超时，如果超时删除该节点进行返回 nanos = deadline - System.nanoTime(); if (nanos <= 0L) { removeWaiter(q); return state; } //挂起当前节点 LockSupport.parkNanos(this, nanos); } else LockSupport.park(this); } }

这里需要说明一点，FutureTask中的阻塞队列新加入的节点都在头结点并且next指向之前的头结点，waitars指针总是指向新加入节点，通过waitars可以遍历整个等待队列，具体截图如下。此外等待队列节点结构很简单成员变量只有线程引用和next指针，这里再列出器接口。