简谈java并发FutureTask的实现

简谈java并发FutureTask的实现

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。

futureTask等待队列

读到这里，相信大家已经对FutureTask的实现细节有了一定的认识。此外，FutureTask没有使用锁而是使用Unsafe的是CAS的原子操作来解决竞争问题，减少了锁带来的上下文切换的开销，提高了效率。

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