Java多线程（二）：Callable&Future&FutureTask源码分析

jordana

发布于 2020-9-21 10:27

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1.创建线程任务方案一：Runnable

runnable无返回值，run实现线程逻辑

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}1.
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2.创建线程任务方案二：Callable

2.1 Callable

callable有返回值（V），call实现线程逻辑

public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}1.
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2.2 Future

Callabe 不能单独使用，需要 Future 用来控制Callable执行，获取Callable执行结果。

public interface Future<V> {
    // 如果任务已经成功了，或已经取消了，是无法再取消的，会直接返回取消成功(true)
    // 如果任务还没有开始进行时，发起取消，是可以取消成功的。
    // 如果取消时，任务已经在运行了，mayInterruptIfRunning 为 true 的话，就可以打断运行中的线程
    // mayInterruptIfRunning 为 false，表示不能打断直接返回
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
 
    // 返回线程是否已经被取消了，true 表示已经被取消了
    // 如果线程已经运行结束了，isCancelled 和 isDone 返回的都是 true
    boolean isCancelled();

    // 线程是否已经运行结束了
    boolean isDone();

    // 等待结果返回
    // 如果任务被取消了，抛 CancellationException 异常
    // 如果等待过程中被打断了，抛 InterruptedException 异常
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    // 等待，但是带有超时时间的，如果超时时间外仍然没有响应，抛 TimeoutException 异常
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}1.
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get 方法主要作用是得到 Callable 异步任务执行的结果，无参 get 会一直等待任务执行完成之后才返回，有参 get 方法可以设定固定的时间，在设定的时间内，如果任务还没有执行成功，直接返回异常，在实际工作中，建议多多使用 get 有参方法，少用 get 无参方法，防止任务执行过慢时，多数线程都在等待，造成线程耗尽的问题。

cancel 方法主要用来取消任务，如果任务还没有执行，是可以取消的，如果任务已经在执行过程中了，你可以选择不取消，或者直接打断执行中的任务

那到这里就有一个问题了， Callable 与 Future都是接口，怎么实现通过Future控制Callable呢？可以创建一个中间类实现Future接口，然后将Callable组合进来，最后通过Future接口中的方法实现控制。这里的具体逻辑可以在FutureTask中看到。

3.FutureTask

Runnable 和 Callable 都可以表示线程要执行的任务，那么这两个接口如何在不该变有关系的基础上互相转化？

首先，Runnable 与 Callable 肯定不能通过extends实现，因为直接继承就是is-a的关系，而这俩显然不是

那么还有一个办法，引入一个中间类 F（满足以下两个条件）

F extends Runnable：继承Runnable
F { primary Callable c }：组合Callable

==> 最终，结合上面的所有分析，我们得到了 FutureTask 的结构：实现Future接口 & 实现Runnable接口 & 组合Callable

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
	// 任务状态
    private volatile int state;
    private static final int NEW          = 0;//线程任务创建
    private static final int COMPLETING   = 1;//任务执行中
    private static final int NORMAL       = 2;//任务执行结束
    private static final int EXCEPTIONAL  = 3;//任务异常
    private static final int CANCELLED    = 4;//任务取消成功
    private static final int INTERRUPTING = 5;//任务正在被打断中
    private static final int INTERRUPTED  = 6;//任务被打断成功

    // 组合了 Callable 
    private Callable<V> callable;
    
    // 异步线程返回的结果
    private Object outcome; 
    // 当前任务所运行的线程
    private volatile Thread runner;
    // 记录调用 get 方法时被等待的线程
    private volatile WaitNode waiters;
    
    //---------------------------构造方法---------------------------------
    // 构造器中传入Callable接口实现对象，对callable成员变量进行初始化
    public FutureTask(Callable<V> callable) {
        if (callable == null)
            throw new NullPointerException();
        this.callable = callable;
        // 任务状态初始化
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

    // 使用 Runnable 初始化，并传入 result 作为返回结果。
    // Runnable 是没有返回值的，所以 result 一般没有用，置为 null 就好了
    public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
        // Executors.callable 方法把 runnable 适配成 RunnableAdapter，
        // RunnableAdapter 实现了callable，所以也就是把 runnable 直接适配成了 callable。
        this.callable = Executors.callable(runnable, result);
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }
}
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3.1 RunnableFuture、

首先来看一下 FutureTask 实现的 RunnableFuture 接口是什么

继承Runable：将外在变成Runnable
继承Future：实现Future对Callable的控制

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run();
}1.
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下面我们就分别看看FutureTask是如何实现Future接口和Runnable接口中的方法

3.2 Future接口方法的实现

通过实现Future，组合Callable实现了两者的结合

构造器传入Callable
实现Future的方法进行返回结果操作

FutureTask实现了Runnable，当构造函数传入Callable就直接转化为了Runnable

get

get 有无限阻塞和带超时时间两种方法，我们通常建议使用带超时时间的方法，源码如下

public V get(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
    if (unit == null)
        throw new NullPointerException();
    int s = state;
    // 如果任务已经在执行中了，并且等待一定的时间后，仍然在执行中，直接抛出异常
    if (s <= COMPLETING &&
        (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
        throw new TimeoutException();
    // 任务执行成功，返回执行的结果
    return report(s);
}

// 等待任务执行完成
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException {
    // 计算等待终止时间，如果一直等待的话，终止时间为 0
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    WaitNode q = null;
    // 不排队
    boolean queued = false;
    // 无限循环
    for (;;) {
        // 如果线程已经被打断了，删除，抛异常
        if (Thread.interrupted()) {
            removeWaiter(q);
            throw new InterruptedException();
        }
        // 当前任务状态
        int s = state;
        // 当前任务已经执行完了，返回
        if (s > COMPLETING) {
            // 当前任务的线程置空
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
        // 如果正在执行，当前线程让出 cpu，重新竞争，防止 cpu 飙高
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
            Thread.yield();
        // 如果第一次运行，新建 waitNode，当前线程就是 waitNode 的属性
        else if (q == null)
            q = new WaitNode();
        // 默认第一次都会执行这里，执行成功之后，queued 就为 true，就不会再执行了
        // 把当前 waitNode 当做 waiters 链表的第一个
        else if (!queued)
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                 q.next = waiters, q);
        // 如果设置了超时时间，并过了超时时间的话，从 waiters 链表中删除当前 wait
        else if (timed) {
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            if (nanos <= 0L) {
                removeWaiter(q);
                return state;
            }
            // 没有过超时时间，线程进入 TIMED_WAITING 状态
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
        }
        // 没有设置超时时间，进入 WAITING 状态
        else
            LockSupport.park(this);
    }
}
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cancel

取消任务，如果正在运行，尝试去打断

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
    if (!(state == NEW &&//任务状态不是创建 并且不能把 new 状态置为取消，直接返回 false
          UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
              mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
        return false;
    // 进行取消操作，打断可能会抛出异常，选择 try finally 的结构
    try {    // in case call to interrupt throws exception
        if (mayInterruptIfRunning) {
            try {
                Thread t = runner;
                if (t != null)
                    t.interrupt();
            } finally { // final state
                //状态设置成已打断
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
            }
        }
    } finally {
        // 清理线程
        finishCompletion();
    }
    return true;
}
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3.3 Runnable接口方法的实现

run

run 方法可以直接被调用，也可以开启新的线程进行调用

run 方法是没有返回值的，通过给 outcome 属性赋值（set(result)），get 时就能从 outcome 属性中拿到返回值；
FutureTask 两种构造器，最终都转化成了 Callable，所以在 run 方法执行的时候，只需要执行 Callable 的 call 方法即可，在执行 c.call() 代码时，如果入参是 Runnable 的话，调用路径为 c.call() -> RunnableAdapter.call() -> Runnable.run()，如果入参是 Callable 的话，直接调用。

public void run() {
    // 状态不是任务创建，或者当前任务已经有线程在执行了，直接返回
    if (state != NEW ||
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                     null, Thread.currentThread()))
        return;
    try {
        Callable<V> c = callable;
        // Callable 不为空，并且已经初始化完成
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran;
            try {
                // 调用执行
                result = c.call();
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
                result = null;
                ran = false;
                setException(ex);
            }
            // 给 outcome 赋值
            if (ran)
                set(result);
        }
    } finally {
        runner = null;
        int s = state;
        if (s >= INTERRUPTING)
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}
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3.4 runnale转化成callable

构造函数传入Runnable与返回值，转化后赋给callable

public FutureTask(Runnable runnable, V result){
    // 将转化的Callable赋值给callable
    this.callable = Executors.callable(runnable, result);
}1.
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适配器模式：Executors.callable() --> RunnableAdpter

// 转化 Runnable 成 Callable 的工具类
// 自己实现Callable接口
static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
    final Runnable task;
    final T result;
    RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
        this.task = task;
        this.result = result;
    }
    // 重写call方法，返回result
    public T call() {
        task.run();
        return result;
    }
}
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最后，总结一下FutureTask 有什么作用：

实现了 Future 的所有方法，对任务有一定的管理功能，比如说拿到任务执行结果，取消任务，打断任务等等。
组合了 Callable，实现了 Runnable，把 Callable 和 Runnnable 串联了起来。
统一了有参任务和无参任务两种定义方式，方便了使用。

作者：A minor

来源：CSDN

分类

Java

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Java多线程（二）：Callable&Future&FutureTask源码分析

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