详解Java中的Future、FutureTask的原理以及与线程池的搭配使用

Java中的Future和Future通常和线程池搭配使用，用来获取线程池返回执行后的返回值。我们假设通过Executors工厂方法构建一个线程池es ，es要执行某个任务有两种方式，一种是执行 es.execute(runnable) ,这种情况是没有返回值的； 另外一种情况是执行 es.submit(runnale)或者 es.submit(callable) ,这种情况会返回一个Future的对象，然后调用Future的get()来获取返回值。

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是一个接口，他提供给了我们方法来检测当前的任务是否已经结束，还可以等待任务结束并且拿到一个结果，通过调用Future的get（）方法可以当任务结束后返回一个结果值，如果工作没有结束，则会阻塞当前线程，直到任务执行完毕，我们可以通过调用cancel（）方法来停止一个任务，如果任务已经停止，则cancel（）方法会返回true；如果任务已经完成或者已经停止了或者这个任务无法停止，则cancel（）会返回一个false。当一个任务被成功停止后，他无法再次执行。isDone（）和isCancel（）方法可以判断当前工作是否完成和是否取消。

线程池中有以下几个方法：

    public Future submit(Runnable task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, null);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

    public  Future submit(Runnable task, T result) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, result);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

    public  Future submit(Callable task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture ftask = newTaskFor(task);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

都返回一个Future对象，仔细查看发现，所有的方法最终都将runnable或者callable转变成一个RunnableFuture的对象，这个RunnableFutre的对象是一个同时继承了Runnable和Future的接口

public interface RunnableFuture extends Runnable, Future {
    void run();
}

然后调用executor(runnable)方法，关于executor(runnable)的具体实现我们后面再讲。最后返回一个RunnableFuture对象。RunnableFuture这个接口直有一个具体的实现类，那就时我们接下来要讲的FutureTask。

FutureTask

public class FutureTask implements RunnableFuture

FutureTask实现了RunnableFuture的接口，既然我们知道最终返回的是一个FutureTask对象ftask，而且我们可以通过ftask.get()可以的来得到execute(task)的返回值，这个过程具体事怎么实现的了？？这个也是本篇文章的所要讲的。

我们可以先来猜测一下它的实现过程，首先Runnable的run()是没有返回值的，所以当es.submit()的参数只有一个Runnable对象的时候，通过ftask.get()得到的也是一个null值，当参数还有一个result的时候，就返回这个result；如果参数是一个Callable的对象的时候，Callable的call()是有返回值的，同时这个call()方法会在转换的Runable对象ftask的run()方法中被调用，然后将它的返回值赋值给一个全局变量，最后在ftask的get()方法中得到这个值。猜想对不对了？ 我们直接看源码。

将Runnable对象转为RunnableFuture的方法：

    protected  RunnableFuture newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
        return new FutureTask(runnable, value);
    }

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

Executors::callable()

    public static  Callable callable(Runnable task, T result) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        return new RunnableAdapter(task, result);
    }

Executors的内部类RunnableAdapter

    static final class RunnableAdapter implements Callable {
        final Runnable task;
        final T result;
        RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
            this.task = task;
            this.result = result;
        }
        public T call() {
            task.run();
            return result;
        }
    }

将Callable对象转为RunnableFuture的方法：

    protected  RunnableFuture newTaskFor(Callable callable) {
        return new FutureTask(callable);
    }

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

接下来我们来看execute(runnbale)的执行过程：

execute(runnable)最终的实现是在ThreadPoolExecutor，基本上所有的线程池都是通过ThreadPoolExecutor的构造方法传入不同的参数来构造的。

ThreadPoolExecutor::executor(runnable) :

    public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();

        int c = ctl.get();
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }

如上所示，这个过程分为三步：

Step 1:

如果当前线程池的的线程小于核心线程的数量的时候，就会调用addWorker检查运行状态和正在运行的线程数量，通过返回false来防止错误地添加线程，然后执行当前任务。

Step 2:

否则当前线程池的的线程大于核心线程的数量的时候，我们仍然需要先判断是否需要添加一个新的线程来执行这个任务，因为可能已经存在的线程此刻任务执行完毕处于空闲状态，这个时候可以直接复用。否则创建一个新的线程来执行此任务。

Step 3:

如果不能再添加新的任务，就拒绝。

执行execute(runnable)最终会回调runnable的run()方法，也就是FutureTask的对象ftask的run()方法，源码如下：

    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);
        }
    }

通过执行result = c.call()拿到返回值，然后set(result) ，因此get()方法获得的值正是这个result。