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并发编程之：异步调用获取返回值
ywz888
发布于 2022-11-2 10:19
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大家好，我是小黑，一个在互联网苟且偷生的农民工。
Runnable
在创建线程时，可以通过new Thread(Runnable)方式，将任务代码封装在Runnable的run()方法中，将Runnable作为任务提交给Thread，或者使用线程池的execute(Runnable)方法处理。
public class RunnableDemo {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.submit(new MyRunnable());
}
}
class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("runnable正在执行");
}
}Runnable的问题
如果你之前有看过或者写过Runnable相关的代码，肯定会看到有说Runnable不能获取任务执行结果的说法，这就是Runnable存在的问题，那么可不可以改造一下来满足使用Runnable并获取到任务的执行结果呢？答案是可以的，但是会比较麻烦。
首先我们不能修改run()方法让它有返回值，这违背了接口实现的原则；我们可以通过如下三步完成：
- 我们可以在自定义的
Runnable中定义变量，存储计算结果； - 对外提供方法，让外部可以通过方法获取到结果；
- 在任务执行结束之前如果外部要获取结果，则进行阻塞；
如果你有看过我之前的文章，相信要做到功能并不复杂，具体实现可以看我下面的代码。
public class RunnableDemo {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
MyRunnable<String> myRunnable = new MyRunnable<>();
new Thread(myRunnable).start();
System.out.println(LocalDateTime.now() + " myRunnable启动~");
MyRunnable.Result<String> result = myRunnable.getResult();
System.out.println(LocalDateTime.now() + " " + result.getValue());
}
}
class MyRunnable<T> implements Runnable {
// 使用result作为返回值的存储变量，使用volatile修饰防止指令重排
private volatile Result<T> result;
@Override
public void run() {
// 因为在这个过程中会对result进行赋值，保证在赋值时外部线程不能获取，所以加锁
synchronized (this) {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println(LocalDateTime.now() + " run方法正在执行");
result = new Result("这是返回结果");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 赋值结束后唤醒等待线程
this.notifyAll();
}
}
}
// 方法加锁，只能有一个线程获取
public synchronized Result<T> getResult() throws InterruptedException {
// 循环校验是否已经给结果赋值
while (result == null) {
// 如果没有赋值则等待
this.wait();
}
return result;
}
// 使用内部类包装结果而不直接使用T作为返回结果
// 可以支持返回值等于null的情况
static class Result<T> {
T value;
public Result(T value) {
this.value = value;
}
public T getValue() {
return value;
}
}
}从运行结果我们可以看出，确实能够在主线程中获取到Runnable的返回结果。
以上代码看似从功能上可以满足了我们的要求，但是存在很多并发情况的问题，实际开发中极不建议使用。在我们实际的工作场景中这样的情况非常多，我们不能每次都这样自定义搞一套，并且很容易出错，造成线程安全问题，那么在JDK中已经给我们提供了专门的API来满足我们的要求，它就是Callable。
Callable
我们通过Callable来完成我们上面说的1-1亿的累加功能。
public class CallableDemo {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
Long max = 100_000_000L;
Long avgCount = max % 3 == 0 ? max / 3 : max / 3 + 1;
// 在FutureTask中存放结果
List<FutureTask<Long>> tasks = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 3; i++) {
Long begin = 1 + avgCount * i;
Long end = 1 + avgCount * (i + 1);
if (end > max) {
end = max;
}
FutureTask<Long> task = new FutureTask<>(new MyCallable(begin, end));
tasks.add(task);
new Thread(task).start();
}
for (FutureTask<Long> task : tasks) {
// 从task中获取任务处理结果
System.out.println(task.get());
}
}
}
class MyCallable implements Callable<Long> {
private final Long min;
private final Long max;
public MyCallable(Long min, Long max) {
this.min = min;
this.max = max;
}
@Override
public Long call() {
System.out.println("min:" + min + ",max:" + max);
Long sum = 0L;
for (Long i = min; i < max; i++) {
sum = sum + i;
}
// 可以返回计算结果
return sum;
}
}运行结果：
可以在创建线程时将Callable对象封装在FutureTask对象中，交给Thread对象执行。
FutureTask之所以可以作为Thread创建的参数，是因为FutureTask是Runnable接口的一个实现类。
既然FutureTask也是Runnable接口的实现类，那一定也有run()方法，我们来通过源码看一下是怎么做到有返回值的。
首先在FutureTask中有如下这些信息。
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
// 任务的状态
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;
// 具体任务对象
private Callable<V> callable;
// 任务返回结果或者异常时返回的异常对象
private Object outcome;
// 当前正在运行的线程
private volatile Thread runner;
//
private volatile WaitNode waiters;
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long stateOffset;
private static final long runnerOffset;
private static final long waitersOffset;
}
public void run() {
// 任务状态的校验
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 {
// 执行callable的call方法获取结果
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
// 有异常则设置返回值为ex
setException(ex);
}
// 执行过程没有异常则将结果set
if (ran)
set(result);
}
} finally {
runner = null;
int s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
}在这个方法中的核心逻辑就是执行callable的call()方法，将结果赋值，如果有异常则封装异常。
然后我们看一下get方法如何获取结果的。
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
// 这里会阻塞等待
s = awaitDone(false, 0L);
// 返回结果
return report(s);
}
private V report(int s) throws ExecutionException {
Object x = outcome;
if (s == NORMAL)
return (V)x;
if (s >= CANCELLED)
// 状态异常情况会抛出异常
throw new CancellationException();
throw new ExecutionException((Throwable)x);
}在FutureTask中除了get()方法还提供有一些其他方法。
- get(timeout,unit)：获取结果，但只等待指定的时间；
- cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消当前任务；
- isDone()：判断任务是否已完成。
CompletableFuture
在使用FutureTask来完成异步任务，通过get()方法获取结果时，会让获取结果的线程进入阻塞等待，这种方式并不是最理想的状态。
在JDK8中引入了CompletableFuture，对Future进行了改进，可以在定义CompletableFuture传入回调对象，任务在完成或者异常时，自动回调。
public class CompletableFutureDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建CompletableFuture时传入Supplier对象
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(new MySupplier());
//执行成功时
future.thenAccept(new MyConsumer());
// 执行异常时
future.exceptionally(new MyFunction());
// 主任务可以继续处理，不用等任务执行完毕
System.out.println("主线程继续执行");
Thread.sleep(5000);
System.out.println("主线程执行结束");
}
}
class MySupplier implements Supplier<Integer> {
@Override
public Integer get() {
try {
// 任务睡眠3s
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return 3 + 2;
}
}
// 任务执行完成时回调Consumer对象
class MyConsumer implements Consumer<Integer> {
@Override
public void accept(Integer integer) {
System.out.println("执行结果" + integer);
}
}
// 任务执行异常时回调Function对象
class MyFunction implements Function<Throwable, Integer> {
@Override
public Integer apply(Throwable type) {
System.out.println("执行异常" + type);
return 0;
}
}以上代码可以通过lambda表达式进行简化。
public class CompletableFutureDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
// 任务睡眠3s
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return 3 + 2;
});
//执行成功时
future.thenAccept((x) -> {
System.out.println("执行结果" + x);
});
future.exceptionally((type) -> {
System.out.println("执行异常" + type);
return 0;
});
System.out.println("主线程继续执行");
Thread.sleep(5000);
System.out.println("主线程执行结束");
}
}通过示例我们发现CompletableFuture的优点：
- 异步任务结束时，会自动回调某个对象的方法；
- 异步任务出错时，会自动回调某个对象的方法；
- 主线程设置好回调后，不再关心异步任务的执行。
当然这些优点还不足以体现CompletableFuture的强大，还有更厉害的功能。
串行执行
多个CompletableFuture可以串行执行，如第一个任务先进行查询，第二个任务再进行更新
public class CompletableFutureDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 第一个任务
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 1234);
// 第二个任务
CompletableFuture<Integer> secondFuture = future.thenApplyAsync((num) -> {
System.out.println("num:" + num);
return num + 100;
});
secondFuture.thenAccept(System.out::println);
System.out.println("主线程继续执行");
Thread.sleep(5000);
System.out.println("主线程执行结束");
}
}并行执行
CompletableFuture除了可以串行，还支持并行处理。
public class CompletableFutureDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 第一个任务
CompletableFuture<Integer> oneFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 1234);
// 第二个任务
CompletableFuture<Integer> twoFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 5678);
// 通过anyOf将两个任务合并为一个并行任务
CompletableFuture<Object> anyFuture = CompletableFuture.anyOf(oneFuture, twoFuture);
anyFuture.thenAccept(System.out::println);
System.out.println("主线程继续执行");
Thread.sleep(5000);
System.out.println("主线程执行结束");
}
}通过anyOf()可以实现多个任务只有一个成功，CompletableFuture还有一个allOf()方法实现了多个任务必须都成功之后的合并任务。
小结
Runnable接口实现的异步线程默认不能返回任务运行的结果，当然可以通过改造实现返回，但是复杂度高，不适合进行改造；
Callable接口配合FutureTask可以满足异步任务结果的返回，但是存在一个问题，主线程在获取不到结果时会阻塞等待；
CompletableFuture进行了增强，只需要指定任务执行结束或异常时的回调对象，在结束后会自动执行，并且支持任务的串行，并行和多个任务都执行完毕后再执行等高级方法。
文章转载自公众号：小黑说java
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已于2022-11-2 10:19:43修改
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