阿里架构师教你JUC-Future与FutureTask原理详解

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1 Future

Future 表示一个任务的生命周期，是一个可取消的异步运算。提供了相应的方法来判断任务状态(完成或取消)，以及获取任务的结果和取消任务等。适合具有可取消性和执行时间较长的异步任务。

并发包中许多异步任务类都继承自Future，其中最典型的就是 FutureTask

1.1 介绍

Future 表示异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并获取计算的结果。计算完成后只能使用get方法来获取结果，如有必要，计算完成前可以阻塞此方法。取消则由 cancel 方法来执行。还提供了其他方法，以确定任务是正常完成还是被取消了。一旦计算完成，就不能再取消计算。如果为了可取消性而使用 Future 但又不提供可用的结果，则可以声明 Future 形式类型、并返回 null 作为底层任务的结果。

也就是说Future具有这样的特性

• 异步执行，可用 get 方法获取执行结果
• 如果计算还没完成，get 方法是会阻塞的，如果完成了，是可以多次获取并立即得到结果的
• 如果计算还没完成，是可以取消计算的
• 可以查询计算的执行状态

2 FutureTask

FutureTask 为 Future 提供了基础实现，如获取任务执行结果(get)和取消任务(cancel)等。如果任务尚未完成，获取任务执行结果时将会阻塞。一旦执行结束，任务就不能被重启或取消(除非使用runAndReset执行计算)。

FutureTask 常用来封装 Callable 和 Runnable，也可作为一个任务提交到线程池中执行。除了作为一个独立的类，此类也提供创建自定义 task 类使用。FutureTask 的线程安全由CAS保证。

FutureTask 内部维护了一个由volatile修饰的int型变量—state，代表当前任务的运行状态

• NEW：新建
• COMPLETING：完成
• NORMAL：正常运行
• EXCEPTIONAL：异常退出
• CANCELLED：任务取消
• INTERRUPTING：线程中断中
• INTERRUPTED：线程已中断

在这七种状态中，有四种任务终止状态：NORMAL、EXCEPTIONAL、CANCELLED、INTERRUPTED。各种状态的转化如下：

数据结构及核心参数

//内部持有的callable任务，运行完毕后置空 
private Callable<V> callable; 
 
//从get()中返回的结果或抛出的异常 
private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes 
 
//运行callable的线程,在 run 时进行 CAS 操作 
private volatile Thread runner; 
 
//使用Treiber栈保存等待线程 
private volatile WaitNode waiters; 

FutureTask 继承了Runnale和Future，本身也作为一个线程运行,可以提交给线程池执行。维护了一个内部类WaitNode，使用简单的Treiber栈(无锁并发栈)实现，用于存储等待线程。FutureTask 只有一个自定义的同步器 Sync 的属性，所有的方法都是委派给此同步器来实现。这也是JUC里使用AQS的通用模式。

源码解析

FutureTask 的同步器 由于Future在任务完成后，可以多次自由获取结果，因此，用于控制同步的AQS使用共享模式。

FutureTask 底层任务的执行状态保存在AQS的状态里。AQS是否允许线程获取(是否阻塞)是取决于任务是否执行完成，而不是具体的状态值。

private final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { 
    // 定义表示任务执行状态的常量。由于使用了位运算进行判断，所以状态值分别是2的幂。 
 
    // 表示任务已经准备好了，可以执行 
    private static final int READY     = 0; 
 
    // 表示任务正在执行中 
    private static final int RUNNING   = 1; 
 
    // 表示任务已执行完成 
    private static final int RAN       = 2; 
 
    // 表示任务已取消 
    private static final int CANCELLED = 4; 
 
 
    // 底层的表示任务的可执行对象 
    private final Callable<V> callable; 
 
    // 表示任务执行结果，用于get方法返回。 
    private V result; 
 
    // 表示任务执行中的异常，用于get方法调用时抛出。 
    private Throwable exception; 
 
     /* 
     * 用于执行任务的线程。在 set/cancel 方法后置为空，表示结果可获取。 
     * 必须是 volatile的，用于确保完成后（result和exception）的可见性。 
     * （如果runner不是volatile，则result和exception必须都是volatile的） 
     */ 
    private volatile Thread runner; 
 
 
     /** 
     * 已完成或已取消 时成功获取 
     */ 
    protected int tryAcquireShared( int ignore) { 
        return innerIsDone() ? 1 : -1; 
    } 
 
    /** 
     * 在设置最终完成状态后让AQS总是通知，通过设置runner线程为空。 
     * 这个方法并没有更新AQS的state属性， 
     * 所以可见性是通过对volatile的runner的写来保证的。 
     */ 
    protected boolean tryReleaseShared( int ignore) { 
        runner = null; 
        return true; 
    } 
 
 
     // 执行任务的方法 
    void innerRun() { 
        // 用于确保任务不会重复执行 
        if (!compareAndSetState(READY, RUNNING)) 
            return; 
 
        // 由于Future一般是异步执行，所以runner一般是线程池里的线程。 
        runner = Thread.currentThread(); 
 
        // 设置执行线程后再次检查，在执行前检查是否被异步取消 
        // 由于前面的CAS已把状态设置RUNNING， 
        if (getState() == RUNNING) { // recheck after setting thread 
            V result; 
            // 
            try { 
                result = callable.call(); 
            } catch (Throwable ex) { 
                // 捕获任务执行过程中抛出的所有异常 
                setException(ex); 
                return; 
            } 
            set(result); 
        } else { 
      // 释放等待的线程 
            releaseShared(0); // cancel 
        } 
    } 
 
    // 设置结果 
    void innerSet(V v) { 
        // 放在循环里进行是为了失败后重试。 
        for (;;) { 
            // AQS初始化时，状态值默认是 0，对应这里也就是 READY 状态。 
            int s = getState(); 
 
            // 已完成任务不能设置结果 
            if (s == RAN) 
                return; 
 
            // 已取消 的任务不能设置结果 
            if (s == CANCELLED) { 
                // releaseShared 会设置runner为空， 
                // 这是考虑到与其他的取消请求线程 竞争中断 runner 
                releaseShared(0); 
                return; 
            } 
 
            // 先设置已完成，免得多次设置 
            if (compareAndSetState(s, RAN)) { 
                result = v; 
                releaseShared(0); // 此方法会更新 runner，保证result的可见性 
                done(); 
                return; 
            } 
        } 
    } 
 
    // 获取异步计算的结果 
    V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException { 
        acquireSharedInterruptibly(0);// 获取共享，如果没有完成则会阻塞。 
 
        // 检查是否被取消 
        if (getState() == CANCELLED) 
            throw new CancellationException(); 
 
        // 异步计算过程中出现异常 
        if (exception != null) 
            throw new ExecutionException(exception); 
 
        return result; 
    } 
 
    // 取消执行任务 
    boolean innerCancel( boolean mayInterruptIfRunning) { 
        for (;;) { 
            int s = getState(); 
 
            // 已完成或已取消的任务不能再次取消 
            if (ranOrCancelled(s)) 
                return false; 
 
            // 任务处于 READY 或 RUNNING 
            if (compareAndSetState(s, CANCELLED)) 
                break; 
        } 
        // 任务取消后，中断执行线程 
        if (mayInterruptIfRunning) { 
            Thread r = runner; 
            if (r != null) 
                r.interrupt(); 
        } 
        releaseShared(0); // 释放等待的访问结果的线程 
        done(); 
        return true; 
    } 
 
    /** 
     * 检查任务是否处于完成或取消状态 
     */ 
    private boolean ranOrCancelled( int state) { 
        return (state & (RAN | CANCELLED)) != 0; 
    } 
 
     // 其他方法省略 
} 

从 innerCancel 方法可知，取消操作只是改变了任务对象的状态并可能会中断执行线程。如果任务的逻辑代码没有响应中断，则会一直异步执行直到完成，只是最终的执行结果不会被通过get方法返回，计算资源的开销仍然是存在的。

总的来说，Future 是线程间协调的一种工具。

AbstractExecutorService.submit(Callable task)

FutureTask 内部实现方法都很简单，先从线程池的submit分析。submit方法默认实现在AbstractExecutorService，几种实现源码如下：

public Future<?> submit(Runnable task) { 
    if (task == null) throw new NullPointerException(); 
    RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null); 
    execute(ftask); 
    return ftask; 
} 
public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) { 
    if (task == null) throw new NullPointerException(); 
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result); 
    execute(ftask); 
    return ftask; 
} 
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) { 
    if (task == null) throw new NullPointerException(); 
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task); 
    execute(ftask); 
    return ftask; 
} 
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) { 
    return new FutureTask<T>(runnable, value); 
} 
public FutureTask(Runnable runnable, V result) { 
    this.callable = Executors.callable(runnable, result); 
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable 
} 

首先调用newTaskFor方法构造FutureTask，然后调用execute把任务放进线程池中，返回FutureTask

FutureTask.run()

public void run() { 
    //新建任务，CAS替换runner为当前线程 
    if (state != NEW || 
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, 
                                     null, Thread.currentThread())) 
        return; 
    try { 
        Callable<V> c = callable; 
        if (c != null && state == NEW) { 
            V result; 
            boolean ran; 
            try { 
                result = c.call(); 
                ran = true; 
            } catch (Throwable ex) { 
                result = null; 
                ran = false; 
                setException(ex); 
            } 
            if (ran) 
                set(result);//设置执行结果 
        } 
    } 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);//处理中断逻辑 
    } 
} 

运行任务，如果任务状态为NEW状态，则利用CAS修改为当前线程。执行完毕调用set(result)方法设置执行结果。 set(result)源码如下

首先利用cas修改state状态为

设置返回结果，然后使用 lazySet（UNSAFE.putOrderedInt）的方式设置state状态为

结果设置完毕后，调用finishCompletion()唤醒等待线程

private void finishCompletion() { 
    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) { 
        if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {//移除等待线程 
            for (;;) {//自旋遍历等待线程 
                Thread t = q.thread; 
                if (t != null) { 
                    q.thread = null; 
                    LockSupport.unpark(t);//唤醒等待线程 
                } 
                WaitNode next = q.next; 
                if (next == null) 
                    break; 
                q.next = null; // unlink to help gc 
                q = next; 
            } 
            break; 
        } 
    } 
    //任务完成后调用函数，自定义扩展 
    done(); 
    callable = null;        // to reduce footprint 
} 

回到run方法，如果在 run 期间被中断，此时需要调用handlePossibleCancellationInterrupt处理中断逻辑，确保任何中断（例如cancel(true)）只停留在当前run或runAndReset的任务中

private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) { 
    //在中断者中断线程之前可能会延迟，所以我们只需要让出CPU时间片自旋等待 
    if (s == INTERRUPTING) 
        while (state == INTERRUPTING) 
            Thread.yield(); // wait out pending interrupt 
} 

FutureTask.runAndReset()

runAndReset是 FutureTask另外一个任务执行的方法，它不会返回执行结果，而且在任务执行完之后会重置stat的状态为NEW，使任务可以多次执行。 runAndReset的典型应用是在 ScheduledThreadPoolExecutor 中，周期性的执行任务。

FutureTask.get()

FutureTask 通过get()获取任务执行结果。如果任务处于未完成的状态(state <= COMPLETING)，就调用awaitDone等待任务完成。任务完成后，通过report获取执行结果或抛出执行期间的异常。

awaitDone(boolean timed, long nanos)

private int awaitDone(boolean timed, long nanos) 
    throws InterruptedException { 
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; 
    WaitNode q = null; 
    boolean queued = false; 
    for (;;) {//自旋 
        if (Thread.interrupted()) {//获取并清除中断状态 
            removeWaiter(q);//移除等待WaitNode 
            throw new InterruptedException(); 
        } 
 
        int s = state; 
        if (s > COMPLETING) { 
            if (q != null) 
                q.thread = null;//置空等待节点的线程 
            return s; 
        } 
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet 
            Thread.yield(); 
        else if (q == null) 
            q = new WaitNode(); 
        else if (!queued) 
            //CAS修改waiter 
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, 
                                                 q.next = waiters, q); 
        else if (timed) { 
            nanos = deadline - System.nanoTime(); 
            if (nanos <= 0L) { 
                removeWaiter(q);//超时，移除等待节点 
                return state; 
            } 
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);//阻塞当前线程 
        } 
        else 
            LockSupport.park(this);//阻塞当前线程 
    } 
} 

awaitDone用于等待任务完成，或任务因为中断或超时而终止。返回任务的完成状态。

1.如果线程被中断，首先清除中断状态，调用removeWaiter移除等待节点，然后抛InterruptedException。removeWaiter源码如下：

private void removeWaiter(WaitNode node) { 
    if (node != null) { 
        node.thread = null;//首先置空线程 
        retry: 
        for (;;) {          // restart on removeWaiter race 
            //依次遍历查找 
            for (WaitNode pred = null, q = waiters, s; q != null; q = s) { 
                s = q.next; 
                if (q.thread != null) 
                    pred = q; 
                else if (pred != null) { 
                    pred.next = s; 
                    if (pred.thread == null) // check for race 
                        continue retry; 
                } 
                else if (!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,q, s)) //cas替换 
                    continue retry; 
            } 
            break; 
        } 
    } 
} 

2.如果当前为结束态(state>COMPLETING),则根据需要置空等待节点的线程，并返回 Future 状态

3.如果当前为正在完成(COMPLETING)，说明此时 Future 还不能做出超时动作，为任务让出CPU执行时间片

4.如果state为NEW，先新建一个WaitNode，然后CAS修改当前waiters

5.如果等待超时，则调用removeWaiter移除等待节点，返回任务状态;如果设置了超时时间但是尚未超时，则park阻塞当前线程

6.其他情况直接阻塞当前线程

FutureTask.cancel(boolean mayInterruptIfRunning)

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) { 
    //如果当前Future状态为NEW，根据参数修改Future状态为INTERRUPTING或CANCELLED 
    if (!(state == NEW && 
          UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, 
              mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED))) 
        return false; 
    try {    // in case call to interrupt throws exception 
        if (mayInterruptIfRunning) {//可以在运行时中断 
            try { 
                Thread t = runner; 
                if (t != null) 
                    t.interrupt(); 
            } finally { // final state 
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED); 
            } 
        } 
    } finally { 
        finishCompletion();//移除并唤醒所有等待线程 
    } 
    return true; 
} 

说明：尝试取消任务。如果任务已经完成或已经被取消，此操作会失败。如果当前Future状态为NEW，根据参数修改Future状态为INTERRUPTING或CANCELLED。如果当前状态不为NEW，则根据参数mayInterruptIfRunning决定是否在任务运行中也可以中断。中断操作完成后，调用finishCompletion移除并唤醒所有等待线程。

示例

小结
本章重点：FutureTask 结果返回机制，以及内部运行状态的转变