【Java并发编程】Callable、Future和FutureTask的实现

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启动线程执行任务，如果需要在任务执行完毕之后得到任务执行结果，可以使用从Java 1.5开始提供的Callable和Future
下面就分析一下Callable、Future以及FutureTask的具体实现及使用方法
源码分析基于JDK 1.7

一、Callable 与 Runnable

java.lang.Runnable是一个接口，只有一个run()方法

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

run()方法的返回值是void，故在执行完任务后无法返回任何结果

Callable是java.util.concurrent包下的，也是一个接口，也只有一个call()方法，类似于java.lang.Runnable的run()方法，实现Callable接口的类和实现Runnable接口的类都是可以被其它线程执行的任务

public interface Callable {
    V call() throws Exception;
}

可以看到call()方法是有返回值的，可以将执行的结果返回

Callable和Runnable的区别：
1、Callable中定义的是call()方法，Runnable中定义的是run()方法
2、Callable中的call()方法可以返回执行任务后的结果，Runnable中的run()方法无法获得返回值
3、Callable中的call()方法定义了throws Exception抛出异常，抛出的异常可以在主线程Future.get()时被主线程捕获；Runnable中的run()方法没有定义抛出异常，运行任务时发生异常时也会上抛，因为即使不加默认也会上抛RuntimeException，但异常无法被主线程获取
4、运行Callable任务可以拿到一个Future对象代表异步运算的结果

二、Future

public interface Future {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    boolean isCancelled();

    boolean isDone();

    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

Future是java.util.concurrent包下的一个接口，代表着一个异步计算的结果，可以通过get()获取线程执行的返回值，cancel()取消任务执行，isCancelled()和isDone()获得任务执行的情况

boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)

尝试取消任务的执行，取消成功返回true，取消失败返回false
mayInterruptIfRunning表示是否允许中断正在执行的任务
1、如果任务还未开始，cancel返回true，且任务永远不会被执行
2、如果任务正在执行，根据mayInterruptIfRunning的值判断是否需要中断执行中的任务，且如果mayInterruptIfRunning为true，会调用中断逻辑，返回true；如果mayInterruptIfRunning为false，不会调用线程中断，只是将任务取消
3、如果任务结束（可能是正常完成、异常终止、被取消），返回false
4、如果cancel()操作返回true，后续调用isDone()、isCancelled()都返回true

boolean isCancelled()

表示任务是否被取消成功，如果在任务正常完成前被取消成功，则返回true

boolean isDone()

表示任务是否已经完成，则返回true，注意：正常完成、异常 或 取消操作都代表任务完成

V get() 和 V get(long timeout, TimeUnit unit)

get()用来获取执行结果，这个方法会产生阻塞，会一直等到任务执行完毕才返回
get(long timeout, TimeUnit unit)用来获取执行结果，如果在指定时间内还没获取到结果，会抛出TimeoutException

Future提供了三种功能：
1、获取任务执行的结果
2、取消任务
3、判断任务是否完成 或 是否取消

因为Future只是一个接口，所以是无法直接用来创建对象使用的，因此就有了下面的FutureTask

三、FutureTask

public class FutureTask implements RunnableFuture

FutureTask实现了RunnableFuture接口，那么RunnableFuture又是什么呢？

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

RunnableFuture接口继承了Runnable和Future，所以它既是一个可以让线程执行的Runnable任务，又是一个可以获取Callable返回值的Future

FutureTask的属性

/** The run state of this task */
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; 

/** The underlying callable; nulled out after running */
private Callable callable;

/** The result to return or exception to throw from get() */
private Object outcome;

/** The thread running the callable; CASed during run() */
private volatile Thread runner;

/** Treiber stack of waiting threads */
private volatile WaitNode waiters;

state 是任务的运行状态

• 初始化时是NEW
• 任务终止的状态有NORMAL（正常结束）、EXCEPTIONAL（异常结束）、CANCELLED（被取消）、INTERRUPTED（执行中被中断），这些状态是通过set()、setException、cancel()方法触发的
• COMPLETING 和 INTERRUPTING是两个中间状态，当正常结束设置outcome属性前是COMPLETING，设置后变成NORMAL；当中断运行中线程前是INTERRUPTING，调用thread.interrupt()后是INTERRUPTED

可能的状态转换：
NEW -> COMPLETING -> NORMAL
NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
NEW -> CANCELLED
NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED

callable 是线程执行的有返回值的任务
outcome 是任务执行后的结果或异常
waiters 表示等待获取结果的阻塞线程，链表结构，后等待线程的会排在链表前面

FutureTask的构造方法

FutureTask有两个构造方法：
FutureTask(Callable callable)

public FutureTask(Callable callable) {
    if (callable == null)
        throw new NullPointerException();
    this.callable = callable;
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

构造方法参数是Callable定义的任务，并将state置为NEW，只有当state为NEW时，callable才能被执行

FutureTask(Runnable runnable, V result)

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
    this.callable = Executors.callable(runnable, result);
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

参数为Runnable和带泛型的result对象，由于Runnable本身是没有返回值的，故线程的执行结果通过result返回
可以看到通过runnable和result封装了个Callable，实际上是new RunnableAdapter(task, result)，这个Adapter适配器将Runnable和result转换成Callable，并返回result

FutureTask.run()的实现

线程运行时真正执行的方法，Callable.call()会在其中执行，并包含设置返回值或异常的逻辑

public void run() {
    if (state != NEW ||
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                     null, Thread.currentThread()))
        return;
    
    try {
        Callable 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);
        }
    } 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);
    }
}

1、任务执行状态不是NEW，直接返回；将runner属性从null->当前线程不成功，直接返回
2、调用call()方法，调用成功，使用set()设置返回值
3、调用过程发生异常，使用setException()保存异常

set() 和 setException()

protected void set(V v) {
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = v;
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

protected void setException(Throwable t) {
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = t;
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

set()和setException()的实现基本一样，都是先将任务运行状态从NEW->COMPLETING，分别设置返回值或异常给outcome，再将状态分别置为NORMAL和EXCEPTIONAL，最后调用finishCompletion()依次唤醒等待获取结果的阻塞线程

finishCompletion()实现

/**
 * Removes and signals all waiting threads, invokes done(), and nulls out callable.
 */
private void finishCompletion() {
    // assert state > COMPLETING;
    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
        //将成员变量waiters置为null
        if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
            //循环唤醒WaitNode中的等待线程
            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;
        }
    }

    //由子类实现的方法
    done();

    callable = null;        // to reduce footprint
}

1、执行FutureTask类的get方法时，会把主线程封装成WaitNode节点并保存在waiters链表中
2、FutureTask任务执行完成后，通过UNSAFE设置waiters的值为null，并通过LockSupport.unpark方法依次唤醒等待获取结果的线程

FutureTask.get()的实现

get()方法有两个实现，一个是一直等待获取结果，直到任务执行完；一个是等待指定时间，超时后任务还未完成会上抛TimeoutException

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

public V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
    if (unit == null)
        throw new NullPointerException();
        
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING &&
        (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
        throw new TimeoutException();
        
    return report(s);
}

内部通过awaitDone()对主线程进行阻塞，具体实现如下：

/**
 * Awaits completion or aborts on interrupt or timeout.
 *
 * @param timed true if use timed waits
 * @param nanos time to wait, if timed
 * @return state upon completion
 */
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException {
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; //截止时间
    WaitNode q = null;
    boolean queued = false;
    for (;;) {
        //如果主线程已经被中断，removeWaiter()，并上抛InterruptedException
        //注意：Thread.interrupted()后会导致线程的中断状态为false
        if (Thread.interrupted()) {
            removeWaiter(q); //线程被中断的情况下，从waiters链表中删除q
            throw new InterruptedException();
        }

        int s = state;
        //如果任务已经完成（可能是正常完成、异常、中断），直接返回，即还没有开始等待，任务已经完成了
        if (s > COMPLETING) {
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
        //如果任务正在完成，让出CPU资源，等待state变成NORMAL或EXCEPTIONAL
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
            Thread.yield();
        //s当前waiters”
             * 2、CAS，将waiters属性，从“当前waiters-->q”
             * 所以后等待的会排在链表的前面，而任务完成时会从链表前面开始依次唤醒等待线程
             */
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                 q.next = waiters, q);
        //所有准备工作完成，判断等待是否需要计时
        else if (timed) {
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            //如果已经等待超时，remove当前WaiterNode
            if (nanos <= 0L) {
                removeWaiter(q); //等待超时的情况下，从waiters链表中删除q
                return state;
            }
            LockSupport.parkNanos(this, nanos); //挂起一段时间
        }
        else
            LockSupport.park(this); //一直挂起，等待唤醒
    }
}

1、判断主线程是否被中断，如果被中断，将当前WaitNode节点从waiters链表中删除，并上抛InterruptedException
2、如果任务已经完成（可能是正常完成、异常、中断），直接返回（即还没有开始等待，任务已经完成了，就返回了）
3、如果任务正在完成，让出CPU资源，等待state变成NORMAL或EXCEPTIONAL
4、如果任务没有被中断，也没有完成，new WaitNode()
5、如果任务没有被中断，也没有完成，也创建了WaitNode，使用UNSAFE.CAS()操作将WaitNode加入waiters链表
6、所有准备工作完毕，通过LockSupport的park或parkNanos挂起线程

而WaitNode就是一个简单的链表节点，记录这等待的线程和下一个WaitNode

/**
 * Simple linked list nodes to record waiting threads in a Treiber
 * stack.  See other classes such as Phaser and SynchronousQueue
 * for more detailed explanation.
 */
static final class WaitNode {
    volatile Thread thread; //等待的线程
    volatile WaitNode next; //下一个WaitNode
    WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}

FutureTask.cancel()的实现

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
    if (state != NEW)
        return false;
    
    if (mayInterruptIfRunning) {
        if (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, INTERRUPTING))
            return false;
        
        Thread t = runner;
        if (t != null)
            t.interrupt(); //中断线程
        
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED); // final state
    }
    else if (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, CANCELLED))
        return false;
    
    finishCompletion();
    
    return true;
}

1、如果任务不是运行状态，直接返回false失败
2、如果mayInterruptIfRunning==true，中断运行中的任务，使用CAS操作将状态NEW-->INTERRUPTING，再调用runner.interrupt()，最后将状态置为INTERRUPTED
3、如果mayInterruptIfRunning==false，将任务置为CANCELLED取消状态
4、调用finishCompletion()依次唤醒等待获取结果的线程，返回true取消成功

四、使用示例

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;

public class TestFuture {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
        Task task = new Task(); //callable任务
        Future result = executor.submit(task);
        executor.shutdown();
         
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("主线程在执行任务");
         
        try {
            System.out.println("task运行结果："+result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("所有任务执行完毕");
    }
    
    static class Task implements Callable{
        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            System.out.println("子线程在进行计算");
            Thread.sleep(3000);
            int sum = 0;
            for(int i=0;i<100;i++)
                sum += i;
            return sum;
        }
    }
}

运行结果：

子线程在进行计算
主线程在执行任务
task运行结果：4950
所有任务执行完毕

如果只是想控制在某些情况下可以将任务取消，可以使用Future future = executor.submit(runnable)，这样返回结果肯定为null，但可以使用future.cancel()取消任务执行

五、总结

1、有了Runnable，为什么还需要Callable，它们的区别是什么？

Runnable和Callable都表示执行的任务，但不同的是Runnable.run()方法没有返回值，Callable.call()有返回值
但其实线程在执行任务时还是执行的Runnable.run()方法，所以在使用ThreadPoolExecutor.submit()时会将Callable封装为FutureTask，而FutureTask是Runnable和Future的实现类
所以在执行Callable的任务时，线程其实是执行FutureTask这个Runnable的run()方法，其中封装了调用Callable.call()并返回结果的逻辑

执行Runnable任务如果发生异常，主线程无法知晓；而执行Callable任务如果发生异常，在Future.get()时会抛出java.util.concurrent.ExecutionException，其中封装了真实异常

2、Future.get()是如何获取线程返回值的？

首先得益于Callable.call()方法定义了返回值，提交Callable任务后，Callable会被封装成FutureTask，其既可以作为Runnable被执行，也可以作为Future获取返回值，FutureTask.run()方法会调用Callable.call()中的任务代码
在任务执行完成前，如果主线程使用Future.get()，其实是调用FutureTask.get()，其中会判断任务状态尚未结束，将主线程加入waiters等待链表，并挂起主线程
待任务执行结束后，FutureTask会唤醒所有等待获取返回值的线程，此时主线程的FutureTask.get()就会返回了

所以，主线程和运行线程是通过FutureTask作为桥梁获取线程返回值的

3、Future.cancel()真的能取消任务的执行吗？

首先答案是“不一定”，根据JDK中的方法注释“Attempts to cancel execution of this task”，即尝试去取消执行的任务
如果任务正在执行，且调用cancel()时参数mayInterruptIfRunning传的是true，那么会对执行线程调用interrupt()方法
那么问题就变成了interrupt()方法能中断线程执行吗？
interrupt()方法不会中断正在运行的线程。这一方法实际上完成的是在线程受到阻塞时抛出一个中断信号，这样线程就得以退出阻塞的状态。更确切的说，如果线程被Object.wait()、Thread.join()、Thread.sleep()等阻塞，那么它将接收到一个中断异常（InterruptedException），从而提早地终结被阻塞状态。
如果线程没有被阻塞，调用interrupt()将不起作用
那么即使线程正在阻塞状态，并抛出了InterruptedException，线程能否真的取消执行还要看代码中是否捕获了InterruptedException和有没有做相应的对中断标示的判断逻辑