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 privateCallablecallable; // 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。
publicFuture submit(Callable task){ if(task ==null)thrownewNullPointerException(); RunnableFuture ftask =newTaskFor(task); execute(ftask); return ftask; } protected RunnableFuture newTaskFor(Callable callable){ returnnewFutureTask (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 Callablec = 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。
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。
审核编辑:刘清
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