FutrueTask原理及源码分析

1.前言

相信很多人了解到FutureTask是因为ThreadPoolExecutor.submit方法，根据ThreadPoolExecutor.submit的使用，我们可以先猜一下FutureTask的原理。

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {

    FutureTask futureTask = new FutureTask<>(new Callable() {

        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            return 1;
        }
    });
    new Thread(futureTask).start();

    System.out.println(futureTask.get());
}

上面这个代码会在启动后三秒打印出1，FutureTask.get()方法调用时会直到Callable中的代码执行完才会返回，所以FutureTask需要在这里阻塞。因为可能多个线程进行get，所以需要一个阻塞队列。

如果Callable三秒执行完，调用方过了五秒才调用get的话，FutureTask就需要把Callable中的执行结果存起来，并且也要把异常catch住存起来，所以需要一个变量存放结果。使用一个api然后想去研究它的原理，源码时，其实可以

先想一下，它可能是怎么做的，如果是我写应该怎样设计，这样能提高自己的设计能力。

2.原理

FutureTask的原理其实和前言中的猜想类似，下面简述一下FutureTask的原理。

FutureTask有两个非常重要的方法，run方法和get方法，run方法是实现了Runnable然后在run里面跑Callable的代码，

get方法就是我们常用的获取数据的方法。run方法运行Callable中的代码然后catch住异常，然后将正常结果或者异常结果

存起来，并且唤醒因为调用get方法阻塞的线程。get方法是去判断是否已经计算出结果，如果计算完成，返回结果否则进行

阻塞。

3.源码分析

建议大家在阅读源码时，先看一下文档，虽然文档是英文的，但是自己读一下搭配翻译看懂应该不难，这里给大家介绍一个IDEA的功能，点击View->QuickDocumentation能让文档读起来更加方便。

下面我就分析一下源码：

　　 FutureTask中的状态维护
    private volatile int state;
    private static final int NEW          = 0; //初始状态
    private static final int COMPLETING   = 1; //执行完成但是执行结果没有保存
    private static final int NORMAL       = 2; //执行完成并且保存了结果
    private static final int EXCEPTIONAL  = 3; //出现了异常
    private static final int CANCELLED    = 4; //取消
    private static final int INTERRUPTING = 5; //打断中，可以进行打断线程了
    private static final int INTERRUPTED  = 6; //线程已经被置成打断状态

    private Callable callable; //入参
   
    private Object outcome; //执行成功结果保存到这个变量
   
    private volatile Thread runner; //正在执行的线程
   
    private volatile WaitNode waiters;//等待队列
　如果你尝试用idea追踪者这些变量在哪里赋值了，你会发现你找不到，这是因为这些变量的赋值都是通过Unsafe类完成的，这个类会直接改这些变量内存地址上对应的值。

  Unsafe可以通过对象+字段的offset找到字段对应的内存地址从而修改数据，了解了这些，在去看FutureTask的代码就很容易了

// Unsafe mechanics
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long stateOffset;
private static final long runnerOffset;
private static final long waitersOffset;
static {
    try {
        UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
        Class k = FutureTask.class;
        stateOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("state"));
        runnerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("runner"));
        waitersOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("waiters"));
    } catch (Exception e) {
        throw new Error(e);
    }
}

下面看一下run方法是怎样执行的

 public void run() {
　　　　　　//runner置成当前线程
        if (state != NEW ||
            !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                         null, Thread.currentThread()))
            return;
        try {
            Callable c = callable;
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
　　　　　　　　　　//成功设置result失败设置Exception
                try {
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex);
                }
                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);
        }
    }

下面看看成功都做了些什么

protected void set(V v) {
　　　　　　//执行成功后状态扭转成完成中，扭转成功后将值存入outcome然后执行finishCompletion
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = v;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

下面看看失败做了什么

    protected void setException(Throwable t) {
　　　　　　//与成功类似不再多讲
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = t;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

成功和失败都执行了finishCompletion，下面看看这个方法里干了什么

    /**
     * Removes and signals all waiting threads, invokes done(), and
     * nulls out callable.
     */

　　注释已经非常清楚了。唤醒等待的节点，执行done，将callable置成null

    private void finishCompletion() {
        // 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 //这里为什么能帮助gc呢，如果q在老年代，q.next在年轻代的话就可以了，详情看https://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6806875
                    q = next;
                }
                break;
            }
        }

        done();

        callable = null;        // to reduce footprint
    }

到这里run方法已经很清楚了，下面看一下get方法

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
　　　　　　　　//很明显需要看这个方法，记住这个传参false
            s = awaitDone(false, 0L);
        return report(s);
    }

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
　　　　//timed = false
        final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
        WaitNode q = null;
        boolean queued = false;
        for (;;) {
　　　　　　　　//线程已经被打断了
            if (Thread.interrupted()) {
                removeWaiter(q);
                throw new InterruptedException();
            }
　　　　　　
            int s = state;
　　　　　　　　// 已经完成了返回状态
            if (s > COMPLETING) {
                if (q != null)
                    q.thread = null;
                return s;
            }
            else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet //这里直接让出线程，让runner去赋值
                Thread.yield();
            else if (q == null) 
                q = new WaitNode();
            else if (!queued) //加入队列
                queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                     q.next = waiters, q);
            else if (timed) { //ture的话 等待一段时间。false的话直接阻塞
                nanos = deadline - System.nanoTime();
                if (nanos <= 0L) {
                    removeWaiter(q);
                    return state;
                }
                LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
            else
                LockSupport.park(this);
        }

这里如果阻塞了，就等run方法执行完成的释放了，代码逻辑很清晰，jdk并发包中的实现用了很多for(;;)这其实是作者写C的习惯的while(true)会多一些指令，在java中编译成

字节码这两个是完全一样的。下面看一下获取到状态后执行的report方法

　　//正常直接返回结果，异常封装一下抛出，这里有个退出，退出的代码这里就不再继续分析了，看完上述的分析，相信你也能快速看懂退出的代码
 private V report(int s) throws ExecutionException {
        Object x = outcome;
        if (s == NORMAL)
            return (V)x;
        if (s >= CANCELLED)
            throw new CancellationException();
        throw new ExecutionException((Throwable)x);
    }

4.使用

在实际开发中，大部分情况都要用到db，http，rpc这些IO操作，在一个方法中需要多次进行这些操作时，如果没有前后关联，可以使用Future充分

使用多核cpu，比如你需要查多个表拼接成一个VO返回给前端，就可以用Future提高接口的响应时间。