Callable异步原理简析

Callable异步执行，应该不会陌生，那么在java中是怎么用的呢？又是如何实现的？下面我们循序渐进，慢慢分析。
先看一个例子，实现Callable接口，进行异步计算：

package com.demo;
import java.util.concurrent.*;
public class Demo {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Future future = executor.submit(new Callable() {
            @Override
            public String call() throws Exception {
                System.out.println("call");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                return "str";
            }
        });
        System.out.println(future.get());
    }
}

这段代码是很简单的一种方式利用Callable进行异步操作，结果自己可以执行下。

如何实现异步

在不阻塞当前线程的情况下计算，那么必然需要另外的线程去执行具体的业务逻辑，上面代码中可以看到，是把Callable放入了线程池中，等待执行，并且立刻返回futrue。可以猜想下，需要从Future中得到Callable的结果，那么Future的引用必然会被两个线程共享，一个线程执行完成后改变Future的状态位并唤醒挂起在get上的线程，到底是不是这样呢？

源码分析

首先我们从任务提交开始，在AbstractExecutorService中的源码如下：

    public  Future submit(Callable task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture ftask = newTaskFor(task);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }
       protected  RunnableFuture newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
        return new FutureTask(runnable, value);
    }
        public FutureTask(Callable callable) {
        if (callable == null)
            throw new NullPointerException();
        this.callable = callable;
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

可以看到Callable任务被包装成了RunnableFuture对象，通过了线程池的execute方法提交任务并且立刻返回对象本身，而线程池是接受Runnable，必然RunnableFuture继承了Runnable，我们看下其继承结构。

从继承中可以清楚的看到，FutureTask是Runnable和Future的综合。
到这里我们应该有些头绪了，关键点应该在FutureTask对象上，线程池不过是提供一个线程运行FutureTask中的run方法罢了。

FutureTask

从上面的分析，FutureTask被生产者和消费者共享，生产者运行run方法计算结果，消费者通过get方法获取结果，那么必然就需要通知，如何通知呢，肯定是状态位变化，并唤醒线程。
FutureTask状态

    //FutureTask类中用来保存状态的变量，下面常量就是具体的状态表示
    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;

run方法

//我修剪后的代码，可以看出其逻辑，执行Callable的call方法获取结果
 public void run() {   
            Callable c = callable;
            if (c != null && state == NEW) {
                V result = c.call();
                set(result);
            }
        }
        //把结果保存到属性字段中，finishCompletion是最后的操作，唤醒等待结果的线程
        protected void set(V v) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = v;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL);//正常结束设置状态为NORMAL
            finishCompletion();
        }
    }
    //waiters是FutureTask类的等待线程包装类，以链表的形式连接多个，WaitNode对象是在调用get方法时生成，并挂起get的调用者线程
     private void finishCompletion() {
        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); //唤醒get上等待的线程
                        if (next == null)
                        break;
                    }
                   break;
            }
        }
    }

等待的线程

为了清除的看到如何挂起get的线程，我们可以分析下get的源码

    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L); //会一直挂起知道处理业务的线程完成，唤醒等待线程
        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)//通过判断返回的状态是否为已完成做不同的处理
            throw new TimeoutException();
        return report(s);
    }
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
        final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
        WaitNode q = null;
        boolean queued = false;
        for (;;) {
            int s = state;
            if (s > COMPLETING) {
                if (q != null)
                    q.thread = null;
                return s;
            }
            else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
                Thread.yield();
            else if (q == null)
                q = new WaitNode();
            else if (!queued)
                queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                     q.next = waiters, q);
            else if (timed) {  //如果是超时的get那么会挂起一段时间
                nanos = deadline - System.nanoTime();
                if (nanos <= 0L) {//等待时间过后则会移除等待线程返回当前futureTask状态
                    removeWaiter(q);
                    return state;
                }
                LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
            else
                LockSupport.park(this);
        }
    }

如果想搞明白可以自行研究下，这种经过优化的并发代码确实可读性差，基本原理就是生产者与消费者模型。