Java多线程编程：FutureTask异步任务详解
本文内容将基于JDK1.7的源码进行讨论，并且在文章的结尾，笔者将会给出一些经验之谈，希望能给学习者带来些帮助。
举个例子
我们以一个例子开始开始本文内容。
有一个作家，他准备开始写作，写作时间大约1个小时，作家想“那就在写作的时候顺便煮一些食物”，写作完刚好吃一点热食物。煮食物的时间我们假设是2个小时，那么煮食物的这个过程就是一个“异步任务”，我们把它用代码实现出来：
public static class Food implements Callable<String>{
public String call() {
System.out.println("hot food starts");
try {
// 煮食物ing
Thread.sleep(20000l);
} catch (Exception e) {
// ignore
}
System.out.println("hot food ends");
return "food is ok";
}
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println("writing starts");
FutureTask futureTask = new FutureTask(new Food());
// 使用新线程
Thread thread = new Thread(futureTask);
thread.start();
try {
// 写作ing
Thread.sleep(20000l);
} catch (Exception e) {
// ignore
}
System.out.println("writing ends");
try {
String result = futureTask.get();
System.out.println(result);
} catch (Exception e) {
// ignore
}
}
为什么要异步
有些时候，为了快速响应，或者节省任务执行时间，有些任务是可以并行执行的。
举个例子，我们正在执行某个计算的时候，需要通过http请求获得某个远程服务的结果，而计算过程也是一个耗时操作，可以在计算开始前先发起一个异步任务做http请求，在需要使用到远程服务结果的位置，查看当前异步任务是否已经执行完成，可以做到两件事情同步进行，缩短了任务执行时间。
再举个例子，在一个客户端程序里面，包含了“提交”和“取消”两个功能，在应用点击“提交”开始执行以后，将立马发起一个异步线程，开始执行任务，但是此时客户端用户仍然可以随便操作，并不会就此卡住，在任务正常执行完可以在窗口显示执行结果。当任务执行完前，用户点击“取消”以后，异步任务将被取消，后台线程就停止了。
FutureTask源码分析
FutureTask实现了Future的接口，它的计算实际上是通过Callable接口来实现的，相当于一种可以生成结果的Runnable。
那我们一起来看看在JDK 1.7里面，是怎么实现这个异步任务的。
状态码
FutureTask任务执行的核心在内部类Sync类中，在Sync类的内部，包含了以下几种状态码：
READY：FutureTask任务创建成功以后，初始状态码；
RUNNING：任务开始启动以后的状态码；
RAN：无论是任务执行成功还是任务执行过程中抛了异常，都将走入到该状态码；
CANCELLED：任务执行过程中被调用innerCancel取消后，进入该状态码；
其他信息
除此之外，Sync还包含了其他信息：
执行结果：在Sync类中用result字段表示任务执行结果；
异常：用该字段表示任务执行过程中抛出的异常信息；
Sync数据结构定义大致如下：
// 状态码定义在AbstractQueuedSynchronizer中
private final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// 执行结果
private V result;
// 异常信息
private Throwable exception;
}
创建任务
源码如下：
public FutureTask(Callable callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
sync = new Sync(callable);
}
参数是一个Callable类型的接口，这个接口不同于Runnable，是有返回值的，定义如下：
public interface Callable<V> {
V call() throws Exception;
}
然后我们一起来看看整个FutureTask任务的执行过程。
任务执行
任务开始执行后，程序源码如下：
void innerRun() {
// 把任务状态从READY改成RUNNING
if (!compareAndSetState(READY, RUNNING))
return;
runner = Thread.currentThread();
if (getState() == RUNNING) {
V result;
try {
// 异步任务开始启动
result = callable.call();
} catch (Throwable ex) {
// 这里调用了innerSetException方法
setException(ex);
return;
}
// 任务执行成功后，设置任务执行结果
set(result);
} else {
releaseShared(0); // cancel
}
}
我们再来看看，在任务执行成功以后，set方法都做了什么事情：
protected void set(V v) {
sync.innerSet(v);
}
class Sync {
...
void innerSet(V v) {
for (;;) {
// 获得当前任务状态
int s = getState();
if (s == RAN)
return;
if (s == CANCELLED) {
releaseShared(0);
return;
}
// 把任务状态设置为"RAN"（已完成）
if (compareAndSetState(s, RAN)) {
result = v;
releaseShared(0);
// 这实际上是需要开发者实现的钩子方法
done();
return;
}
}
}
}
任务取消
任务在执行的过程中，可以选择取消执行，比如，一个查询同时从多个网址查询搜索结果，然而产品的需求是只需要返回其中一个搜索结果，因此，当有任务已经完成了搜索结果，那么其他查询线程就无需继续执行了，因此可以发起cancel的操作，减少网络消耗。
boolean innerCancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
for (;;) {
int s = getState();
// 任务可能此时已被取消，或者已经执行完成
if (ranOrCancelled(s))
return false;
if (compareAndSetState(s, CANCELLED))
break;
}
if (mayInterruptIfRunning) {
Thread r = runner;
if (r != null)
// 如果任务还在执行，尝试中断
r.interrupt();
}
releaseShared(0);
done();
return true;
}
结果获取
我们再看看获取任务执行结果的get两个方法，一个是不带阻塞时间的get()方法和另外一个带了阻塞时长的get(long timeout, TimeUnit unit)方法。这两个方法对应源码如下：
// 不带阻塞时长
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
return sync.innerGet();
}
// 带阻塞时长
public V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
return sync.innerGet(unit.toNanos(timeout));
}
再看看两个方法对应的sync.innerGet方法：
V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException {
// 阻塞式等待，但该方法可以被中断
acquireSharedInterruptibly(0);
// 如果此时任务已经被取消了，那么将抛一个异常出来
if (getState() == CANCELLED)
throw new CancellationException();
// 任务执行过程中有异常，重新抛出异常
// 该异常是在innerSetException方法中设置的
if (exception != null)
throw new ExecutionException(exception);
return result;
}
V innerGet(long nanosTimeout) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
if (!tryAcquireSharedNanos(0, nanosTimeout))
throw new TimeoutException();
// 如果此时任务已经被取消了，那么将抛一个异常出来
if (getState() == CANCELLED)
throw new CancellationException();
// 任务执行过程中有异常，重新抛出异常
// 该异常是在innerSetException方法中设置的
if (exception != null)
throw new ExecutionException(exception);
return result;
}
以上就是FutureTask的源码解读，不过FutureTask内容比较简单，不包含AQS源码只有大约400行。接下来我来简单讲讲在使用过程中的一些经验。
经验之谈
搭配线程使用
FutureTask仅仅是一个任务执行框架，在执行过程中并没有创建一个新的线程，在本文最初的实例中，我仅仅是创建了一个新的Thread类，并启动该Thread类，当然你们也可以搭配ThreadPoolExecutor线程池使用。说到这里，ExecutorService类正是如此使用的：
public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {
...
public Future submit(Runnable task, T result) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
// 创建一个新的FutureTask
RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, result);
// 执行该FutureTask
execute(ftask);
return ftask;
}
...
}
做好线程中断策略
你们不要以为，FutureTask提供了cancel方法，任务就一定能被取消，而实际上，底层还是依赖Thread提供的interrupt方法，因此，为了实现cancel功能，需要线程能够主动响应中断。
换句话说，如果任务不检查中断取消标志，可能任务永远也不会结束。
所以对中断的一个正确理解是：它不会真正地中断一个正在运行的线程，而只是发出中断请求，然后由线程在下一个合适的时候中断自己。当然，JDK中有一些库函数可以主动响应这些中断，如Thread.sleep和BlockingQueue.put方法等。