Java多线程专题之Callable、Future与FutureTask-多线程callable future

前言

大家好，一直以来我都本着用最通俗的话理解核心的知识点, 我认为所有的难点都离不开「基础知识」的铺垫。

有一定的Java基础
想学习或了解多线程开发
想提高自己的同学

背景

之前给大家讲了一些框架的使用，这些都属于业务层面的东西，你需要熟练掌握它并在项目中会运用它即可，但这些对自身技术的积累是远远不够的，如果你想要提高自己，对于语言本身你需要花更多的时间去挖掘而不是局限于框架的使用，所以之前为什么跟大家一直强调基础的重要性，框架可以千变万化，层出不穷，但是基础它是不变的，不管是学java还是前端或者是其它语言, 这一点大家还是需要认清的。

情景回顾

上期带大家学习了什么是进阶学习了Thread以及分析了它的一些源码,本期带大家学习Callable、Future与FutureTask的用法以及源码分析, 内容较多, 我们一起来看一下吧~

Callable & Future

之前我们通过Runnable,Thread就可以创建一个线程,但是它也有一个局限，就是没有返回值，有时候我们的需求需要结合多任务处理后的数据做一些事情，所以通过上边的方法就不好解决了。

下面我们看一下Callable。

public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

首先它是一个接口，且还提供了泛型的支持，call方法有返回值, 那怎么使用它呢，肯定是要实现它。

public class CallableTest {
    public static class CallableDemo implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            return "hello";
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CallableDemo demo = new CallableDemo();
        String result = demo.call();
        System.out.println(result);
        System.out.println("main");
    }
}

运行一下实际输出：

hello
main

发现返回的结果输出出去了,但是这里有个问题，这个main输出在hello之后，似乎好像没有开启一个线程，依然是同步执行的，是这样吗，我们看一下call内部的线程环境。

public String call() throws Exception {
    System.out.println(Thread.currentThread());
    Thread.sleep(3000);
    return "hello";
}

运行一下实际输出：

Thread[main,5,main]
hello
main

好家伙，还是main线程内部，并且线程还被阻塞了,原来new是开启不了线程的，只是单纯的实现了一下它的接口，我们姿势搞错了。其实它的源码上加了注释的，说通常会借助Excutors类使用,这个类是用来创建线程池的，这个我们后边讲，这里给大家演示一下。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    CallableDemo demo = new CallableDemo();
    // 创建线程池
    ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
    // 提交任务
    Future<String> future = executor.submit(demo);
    System.out.println("main");
}

实际输出:

main
Thread[pool-1-thread-1,5,main]

发现是单独线程执行的，并且没有阻塞线程。我们发现这里也用到了Future,这个翻译过来时未来的意思，这里也就是结果发生在后边,它是一个异步情况, 那么我们如何获取到结果呢?

System.out.println(future.get());       
System.out.println("main");

实际输出:

Thread[pool-1-thread-1,5,main]
hello
main

发现结果拿到了，但是运行的时候好像线程被阻塞了，我们可以发现get()会导致线程阻塞,举一反三，我想不阻塞的情况下拿到返回值，可以吗❓那有什么办法呢？开启单独的线程不就好了，那么在单独的线程可以拿到其它线程的值吗，我们来试一下。

new Thread(() -> {
    try {
        System.out.println(future.get());
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();
System.out.println("main");

实际运行输出:

Thread[pool-1-thread-1,5,main]
main
hello

发现，这下就对了~

Future & FutureTask 源码解析

端起小板凳，这部分好好听，我们主要看下它的源码实现。我们上文使用到了 Future，我们看一下它的定义，发现它也是一个接口。

public interface Future<V> {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

还有一个接口叫做RunnableFuture,FutureTask是它的一个实现类，这个类帮我实现了很多好用的方法，因为我们自己实现的话是很麻烦的。

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    /**
     * Sets this Future to the result of its computation
     * unless it has been cancelled.
     */
    void run();
}

之前的例子也可以用FutureTask改写成:

public static void main(String[] args) throws Exception {
    CallableDemo demo = new CallableDemo();
    ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
    FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(demo);
    executor.submit(futureTask);
    System.out.println(futureTask.get());
}

它继承了 Runnable, Future接口,我们之前调用的get方法就是其中之一,来一起看一下这个get是如何拿到值的，该部分源码来自FutureTask类实现。

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING)
        s = awaitDone(false, 0L);
    return report(s);
}

这个state线程的状态值,这里很好理解，一个是阻塞方法awaitDone,一个是抛出结果report,我们重点看一下awaitDone的实现:

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    WaitNode q = null;
    boolean queued = false;
    for (;;) {
        if (Thread.interrupted()) {
            removeWaiter(q);
            throw new InterruptedException();
        }

        int s = state;
        if (s > COMPLETING) {
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
            Thread.yield();
        else if (q == null)
            q = new WaitNode();
        else if (!queued)
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                    q.next = waiters, q);
        else if (timed) {
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            if (nanos <= 0L) {
                removeWaiter(q);
                return state;
            }
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
        }
        else
            LockSupport.park(this);
    }
}

首先它是一个内部方法,timed指定是否定时等待，如果传true的话需要指定时间nanos。

// 销亡时间  System.nanoTime() 正在运行的 Java 虚拟机的高分辨率时间源的当前值，以纳秒为单位
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;

WaitNode q = null;它是一个链表结构 volatile 被用来修饰会被不同线程访问和修改的变量, 后边还会讲到，此处先有个印象。

static final class WaitNode {
    volatile Thread thread;
    volatile WaitNode next;
    WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}

for (;;) {...},这是一个死循环，这里就是阻塞部分了，内部先会判断线程状态。

// 判断线程状态 如果中断，直接抛出异常，并且将```q```从节点中移除
if (Thread.interrupted()) {
    removeWaiter(q);
    throw new InterruptedException();
}

这里为什么会移除呢,想想看，如果不移除，内部积累太多，每次都要遍历它，如果是有竞争的情况下，是不是很浪费。这里主要是避免不必要的高额开销。

// 线程状态 最先是 NEW
int s = state;
if (s > COMPLETING) {
    // 如果线程完成状态 移除q节点 并返回当前线程状态 最终通过report返回结果
    if (q != null)
        q.thread = null;
    return s;
}

这里为什么移除?因为完成了，我只要结果就好了，不需要在进一步判断了。

else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
                Thread.yield();

如果处于COMPLETING,会让出cpu时间。

else if (q == null)
                q = new WaitNode();

这个很好理解，节点不存在就创建一个。

else if (!queued)
                queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                     q.next = waiters, q);

如果有新任务进来，会新建一个节点，然后利用CAS操作放入waiter链表的头部，这里是一个原子性操作,CAS的概念我们后边给大家讲,这里一切都是为了安全。

compareAndSwap是个原子方法,原理是CAS,即将内存中的值与期望值进行比较，如果相等，就将内存中的值修改成新值并返回true。

else if (timed) {
    nanos = deadline - System.nanoTime();
    if (nanos <= 0L) {
        removeWaiter(q);
        return state;
    }
    LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
else
    LockSupport.park(this);

这里判断消亡时间，如果超时了，移除节点，并返回线程状态,LockSupport使线程阻塞，有的同学可能会问，for不是已经阻塞了吗❓那为啥还调用LockSupport，这里其实是线程优化，想想你一直for循环一直判断是不是也会产生开销,加上LockSupport避免不要的操作，其实for的整个过程是实现了自旋锁的操作。

阻塞了不就没法执行了吗，park加锁方法还有一个对应的unpark相当于释放锁,但此处没有看到这个方法,那么它在哪个地方呢❓我们大体应该可以猜到，它应该是在执行阶段，还记得RunnableFuture接口下的run方法吗？下面我们看一下它的实现。

public void run() {
        // 判断线程状态 如果不为NEW 或者 并判断值是否一样，如果不一样就直接返回
        if (state != NEW ||
            !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                         null, Thread.currentThread()))
            return;
        try {
            // 这一步是执行我们的任务
            Callable<V> c = callable;
            // 如果任务存在 并且处于NEW状态
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
                try {
                    // 执行任务
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    // 异常检测
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex);
                }
                // 执行成功，设置返回值
                if (ran)
                    set(result);
            }
        } finally {
            // 这里其实是释放阶段 防止并发调用
            runner = null;
            // state must be re-read after nulling runner to prevent
            // leaked interrupts
            int s = state;
            // 这一步其实是防止在中断时提交任务,内部是调用了一个Thread.yield()
            if (s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
    }

下面我们重点看一下这个set方法。

protected void set(V v) {
        // 先比较是否相同
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            // outcome 是返回的结果或者异常 setException这里是设置异常结果 异常赋值给outcome
            outcome = v;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // 设置最终状态
            finishCompletion();
        }
}

UNSAFE类是一个很特殊的类，它的内部几乎都是native方法，它可以使得我们能够操作内存空间来获得更高的性能，但一般我们很少使用它,因为它不被gc控制，使用不当jvm可能都会挂了。我们重点关注一下 finishCompletion这个方法。

private void finishCompletion() {
        for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
            if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
                // 遍历节点释放锁
                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;
            }
        }

        // 默认下它是一个空方法，可以用于执行完成的回调方法, 可以覆盖实现
        done();

        callable = null;        // to reduce footprint
    }

我们可以看到在这个内部它是调了一个unpark方法的,可以看出之前awaitDone()方法内部的线程阻塞在这个地方被唤醒了, 再回回过头看awaitDone()方法，就明白为啥要调用park方法了,因为线程没有达到大于COMPLETING状态，它会一直for。

最后一个就是report了，返回值。

private V report(int s) throws ExecutionException {
        Object x = outcome;
        // 在set的时候 我们可以看到有设置为这个状态。 V就是传入的类型
        if (s == NORMAL)
            return (V)x;
        if (s >= CANCELLED)
            throw new CancellationException();
        throw new ExecutionException((Throwable)x);
    }

于是我们的get就拿到返回值了。

FutureTask 状态

这里给大家补充一下FutureTask的状态值。

private volatile int state;
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;

state可能的状态转变路径如下：

NEW -> COMPLETING -> NORMAL。
NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL。
NEW -> CANCELLED。
NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED。

结束语

本期到这里就结束了，总结一下，本节主要讲了Callable、Future与FutureTask的常用方法，以及从问题触发，带大家分析了一下FutureTask的源码，这里大家要好好理解，不要去背，想要告诉大家的是学习要带着问题，看源码一定要大胆猜测，冷静分析 ~