在传统的多线程实现方式中(继承Thread和实现Runnable)无法直接获取线程执行的返回结果,如果需要获取执行结果,就必须通过共享变量或者使用线程通信的方式来达到效果,这样使用起来就比较麻烦。
从Java 1.5开始,java.util.concurrent包中提供了 Callable和 Future两个接口,通过它们就可以在任务执行完毕之后得到任务执行结果。
一、Callable
返回可能抛出异常的任务的结果。实现者定义了一个不带任何参数的叫做 call 的方法。
1.Callable与 Runnable
Callable 接口类似于 Runnable,两者都是为那些其实例可能被另一个线程执行的类设计的。但是 Runnable 不会返回结果,并且无法抛出经过检查的异常。
Callable是 java.util.concurrent中的接口,而 Runnable是 java.lang包中的接口。它们都只有一个方法。
以下是 Runnable接口的源代码:
public interface Runnable { /** * 使用实现接口 Runnable 的对象创建一个线程时, * 启动该线程将导致在独立执行的线程中调用对象的 run 方法。 */ public abstract void run(); }
由于 run方法返回类型是 void,所以在执行完任务之后无法获得任何返回结果。
接下来是 Callable接口的源代码:
public interface Callable<V> { /** * 计算结果,如果无法计算结果,则抛出一个异常。 */ V call() throws Exception; }
可以看到 call方法返回了一个泛型V结果,所以我们就可以通过结果来进一步判断处理。
2.Callable转换
Executors 类包含一些从其他普通形式(Runnable、PrivilegedAction等)转换成 Callable 类的实用方法。
以下是 Executors类中将 Runnable转换成 Callable的相关方法:
/** * 返回 Callable 对象,调用它时可运行给定的任务并返回 null */ static Callable<Object> callable(Runnable task) /** * 返回 Callable 对象,调用它时可运行给定的任务并返回给定的结果 */ static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result)
我们可以通过 Executors类的callable方法将 Runnable 转换成 Callable,其中 result为返回结果,以下是callable方法的源代码:
public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) { if (task == null) throw new NullPointerException(); return new RunnableAdapter<T>(task, result); }
当 task为空时会抛出空指针异常,然后通过构造方法创建一个 RunnableAdapter实例。
RunnableAdapter类是一个内部类,其实 RunnableAdapter是一个 Runnable的适配器,它的作用很简单,就是将 Runnable转换成 Callable,所以这里就用到了适配器模式,面试的时候你可以拿出去装装B。
以下是 RunnableAdapter类的源代码:
/** * Runnable适配器,具有返回结果的可运行任务 */ static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> { final Runnable task; final T result; RunnableAdapter(Runnable task, T result) { this.task = task; this.result = result; } public T call() { task.run(); return result; } }
代码即简洁有清晰,通过调用构造方法创建一个 RunnableAdapter实例,然后通过执行call方法运行线程,最后返回结果。
3.Callable 的使用
因为 Callable 接口并没有相关实现类,所以我们无法直接使用它,所以使用 Callable 需要调用 ExecutorService接口的 submit方法:
<T> Future<T> submit(Callable<T> task)
submit提交一个返回值的任务用于执行,返回一个表示任务的未决结果的 Future。该 Future 的 get 方法在成功完成时将会返回该任务的结果。
如果想立即阻塞任务的等待,则可以使用:
result = executorService.submit(aCallable).get();
注意:Executors 类包括了一组方法,可以转换某些其他常见的类似于闭包的对象,例如,将 PrivilegedAction 转换为 Callable 形式,这样就可以提交它们了。
后面的 Future章节还会更深入介绍 Callable 的相关使用。
二、Future
Future 用以表示异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成的方法,以等待计算的完成,并获取计算的结果。计算完成后只能使用 get 方法来获取结果,如有必要,计算完成前可以阻塞此方法。取消则由 cancel 方法来执行。还提供了其他方法,以确定任务是正常完成还是被取消了。一旦计算完成,就不能再取消计算。如果为了可取消性而使用 Future 但又不提供可用的结果,则可以声明 Future<?> 形式类型、并返回 null 作为底层任务的结果。
1.继承关系
2.Future 源代码
以下是 Future接口的源代码:
public interface Future<V> { /** * 试图取消对此任务的执行 */ boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning); /** * 如果在任务正常完成前将其取消,则返回 true */ boolean isCancelled(); /** * 如果任务已完成,则返回 true */ boolean isDone(); /** * 如有必要,等待计算完成,然后获取其结果 */ V get() throws InterruptedException, ExecutionException; /** * 如有必要,最多等待为使计算完成所给定的时间之后,获取其结果(如果结果可用) */ V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException; }
3.Future 相关方法
Future包含了5个方法。
1)get():获取其结果,这个方法会产生阻塞,会一直等到任务执行完毕才返回。
2)get(long timeout,TimeUnit unit):与get()方法不同的是,在指定时间内等待结果的返回,如果指定时间已到仍没有结果,则返回null。
3)isDone():如果任务已完成,则返回 true。 可能由于正常终止、异常或取消而完成,在所有这些情况中,此方法也都将返回 true。
4)cancel(boolean mayInterruptIfRunning):试图取消对此任务的执行。如果任务已完成、已取消或者由于某些其他原因而无法取消,则此尝试将失败。当调用 cancel 时,如果调用成功,而此任务尚未启动,则此任务将永不运行。如果任务已经启动,则 mayInterruptIfRunning 参数确定是否应该以试图停止任务的方式来中断执行此任务的线程。
此方法返回后,对 isDone() 的后续调用将始终返回 true。如果此方法返回 true,则对 isCancelled() 的后续调用将始终返回 true。
5)isCancelled():如果在任务正常完成前将其取消,则返回 true。
通过 Future可以:
1)判断任务是否完成;
2)能够中断任务;
3)能够获取任务执行结果。
4.Future的使用
1)执行Future
使用 ExecutorService的 submit(Callable<T> task)方法。
public class FutureTest { public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException { // 创建线程池 ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool(); // 创建FutureThread实例 FutureThread ft = new FutureThread(); // 调用ExecutorService的 submit(Callable<T> task)方法,执行ft Future<Integer> f = es.submit(ft); // 关闭线程池 es.shutdown(); // 获取结果 Integer result = f.get(); // 判断结果 if (result != null) { System.out.println("执行成功,结果为:" + result); } else { System.out.println("执行失败"); } } } class FutureThread implements Callable<Integer> { // 执行函数 public Integer call() throws Exception { System.out.println("开始执行"); return new Random().nextInt(100); } } //结果: 开始执行 执行成功,结果为:51
首先,创建一个 Callable实现类,其中 call方法中是线程要执行的方法,这与 run方法类似。
然后,创建一个 ExecutorService实例,也就是线程池,然后调用submit方法将之前的 Callable实现传递执行。
最终,通过 Future的get方法可以获取到线程的执行结果,进一步处理。
2)取消 Future
使用 Future的 cancel方法尝试取消Future:
public class FutureTest { public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException { // 创建线程池 ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool(); // 创建FutureThread实例 FutureThread ft = new FutureThread(); // 调用ExecutorService的 submit(Callable<T> task)方法,执行ft Future<Integer> f = es.submit(ft); // 取消 f.cancel(true); if (!f.isCancelled()) { // 获取结果 Integer result = f.get(); // 判断结果 if (result != null) { System.out.println("执行成功,结果为:" + result); } else { System.out.println("执行失败"); } } else { System.out.println("执行已被取消"); } // 关闭线程池 es.shutdown(); } } class FutureThread implements Callable<Integer> { // 执行函数 public Integer call() throws Exception { System.out.println("开始执行"); return new Random().nextInt(100); } } //结果: 执行已被取消
3)判断Future是否完成
可以通过isDone()方法判断 Future是否已经完成:
public class FutureTest { public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException { // 创建线程池 ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool(); // 创建FutureThread实例 FutureThread ft = new FutureThread(); // 调用ExecutorService的 submit(Callable<T> task)方法,执行ft Future<Integer> f = es.submit(ft); // 取消 // f.cancel(true); if (!f.isCancelled()) { for (;;) { if (f.isDone()) { // 获取结果 Integer result = f.get(); // 判断结果 if (result != null) { System.out.println("执行成功,结果为:" + result); } else { System.out.println("执行失败"); } break; } else { System.out.println("执行未完成"); } } } else { System.out.println("执行已被取消"); } // 关闭线程池 es.shutdown(); } } class FutureThread implements Callable<Integer> { // 执行函数 public Integer call() throws Exception { System.out.println("开始执行"); return new Random().nextInt(100); } } //结果: 执行未完成 执行未完成 开始执行 ... ... 执行未完成 执行未完成 执行成功,结果为:72
当然我们并不需要这样来循环判断,因为 get方法可以阻塞等待结果。
5.RunnableFuture
RunnableFuture作为 Runnable 的 Future。成功执行 run 方法可以完成 Future 并允许访问其结果。RunnableFuture接口在 Future接口的基础上增加了一个run方法:
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> { /** * 在未被取消的情况下,将此 Future 设置为计算的结果 */ void run(); }
注意:在 Java中class是无法多继承的,但接口可以。
6.ScheduledFuture
ScheduledFuture是一个延迟的、结果可接受的操作,可将其取消 Future。通常已安排的 future 是用 ScheduledExecutorService 安排任务的结果
ScheduledFuture接口继承自Delayed与 Future,其中没有任何独立方法:
public interface ScheduledFuture<V> extends Delayed, Future<V> { }
7.RunnableScheduledFuture
RunnableScheduledFuture继承自 Runnable 的 ScheduledFuture。成功执行 run 方法可以完成 Future 并允许访问其结果。
RunnableScheduledFuture 增加了一个isPeriodic()方法,用来判断是否是一个定期任务:
public interface RunnableScheduledFuture<V> extends RunnableFuture<V>, ScheduledFuture<V> { /** * 如果这是一个定期任务,则返回 true。定期任务可以根据计划重新运行。非定期任务只能运行一次 */ boolean isPeriodic(); }
三、FutureTask
可取消的异步计算任务。FutureTask提供了对 Future 的基本实现。仅在计算完成时才能获取结果;如果计算尚未完成,则阻塞 get 方法。一旦计算完成,就不能再重新开始或取消计算。
可使用 FutureTask 包装 Callable 或 Runnable 对象。因为 FutureTask 实现了 Runnable,所以可将 FutureTask 提交给 Executor 执行。
除了作为一个独立的类外,FutureTask还提供了 protected 功能(done()、set(V v)等方法),这在创建自定义任务类时可能很有用。
1.构造方法
有两个构造方法:
/** * 创建一个 FutureTask,一旦运行就执行给定的 Callable */ public FutureTask(Callable<V> callable) { if (callable == null) throw new NullPointerException(); sync = new Sync(callable); } /** * 创建一个 FutureTask,一旦运行就执行给定的 Runnable,并安排成功完成时 get 返回给定的结果 */ public FutureTask(Runnable runnable, V result) { sync = new Sync(Executors.callable(runnable, result)); }
一种是直接指定 Callable为参数。另一种则是指定了 Runnable与 result。
两个构造方法都是创建了一个 Sync实例,最终传递的参数都为 callable,Sync内部类我们已经接触过很多次了,虽然不同类中 Sync的细节实现各不相同,但实现思想基本一致。
2.Sync内部类
Sync作为 FutureTask的内部类,用以控制 FutureTask的同步。
1)构造方法
Sync只有一个构造方法。
Sync(Callable<V> callable) { this.callable = callable; }
2)成员变量
/** 表示任务正在运行的状态值 */ private static final int RUNNING = 1; /** 表示任务运行完成的状态值 */ private static final int RAN = 2; /** 表示任务已被取消的状态值 */ private static final int CANCELLED = 4; /** 底层 callable */ private final Callable<V> callable; /** 返回结果,通过get方法获取 */ private V result; /** 从get方法中抛出的异常 */ private Throwable exception; /** * 运行任务的线程 */ private volatile Thread runner;
从成员变量中可以看到 FutureTask拥有四种状态:未运行(0)、运行中(1),已运行(2)和已取消(4)。 其中未运行是默认状态,状态值为0,其他三种已经在类中定义。其他几个成员变量分别是运行相关的声明。
3)核心方法
(1)innerGet方法
innerGet方法是Sync中获取执行结果的方法,FutureTask的 get方法也是调用的本方法。
以下是 innerGet方法的源代码:
V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException { acquireSharedInterruptibly(0); if (getState() == CANCELLED) throw new CancellationException(); if (exception != null) throw new ExecutionException(exception); return result; }
innerGet方法首先调用的是AQS(AbstractQueuedSynchronizer)的 acquireSharedInterruptibly方法,最终调用的是 doAcquireSharedInterruptibly方法。然后判断任务状态,如果已经取消则抛出 CancellationException异常,然后判断异常信息,如果有则抛出。最后返回结果。
doAcquireSharedInterruptibly的核心代码为:
for (;;) { final Node p = node.predecessor(); if (p == head) { int r = tryAcquireShared(arg); if (r >= 0) { setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GC return; } } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) break; }
(2)innerGet(long nanosTimeout)方法
与 innerGet()方法类似,只是innerGet(long nanosTimeout)会在指定时间内未得到结果时返回null。
(3)innerRun()方法
FutureTask运行任务时会调用 Sync的 innerRun方法。
void innerRun() { //首先设置状态,未运行-->运行中 if (!compareAndSetState(0, RUNNING)) return; try { //获取当前线程 runner = Thread.currentThread(); //判断状态 if (getState() == RUNNING) //开始执行 innerSet(callable.call()); else //释放共享锁 releaseShared(0); } catch (Throwable ex) { //处理异常 innerSetException(ex); } }
首先会将未运行状态设置成运行中,也就是判断该任务是否已经执行过,然后再设置状态。其中会调用 innerSet方法来执行任务。调用 releaseShared方法来取消任务。
(4)innerSet(V v)方法
void innerSet(V v) { for (;;) { //获取状态 int s = getState(); //如果s==2,即已运行过,则返回 if (s == RAN) return; //如果s==4,即已取消 if (s == CANCELLED) { //释放共享锁 releaseShared(0); return; } //设置状态为RAN,值为2 if (compareAndSetState(s, RAN)) { //设置结果 result = v; //释放共享锁 releaseShared(0); //调用done方法,done方法需要使用者自行实现 done(); return; } } }
(5)innerSetException
innerSetException方法与innerSet方法流程基本一致,只是在其中添加了异常信息的设置。
void innerSetException(Throwable t) { for (;;) { //获取状态 int s = getState(); //如果已运行则返回 if (s == RAN) return; //如果为取消状态 if (s == CANCELLED) { //释放共享锁 releaseShared(0); return; } //设置状态为RAN if (compareAndSetState(s, RAN)) { //设置异常信息 exception = t; result = null; //释放共享锁 releaseShared(0); done(); return; } } }
(6)innerCancel
innerCancel方法用于取消任务执行。
boolean innerCancel(boolean mayInterruptIfRunning) { for (;;) { // 获取状态 int s = getState(); // 判断状态是否为 RAN或 CANCELLED if (ranOrCancelled(s)) return false; // 设置状态值为 CANCELLED if (compareAndSetState(s, CANCELLED)) break; } // 如果可以中断 if (mayInterruptIfRunning) { Thread r = runner; if (r != null) // 中断线程 r.interrupt(); } // 释放共享锁 releaseShared(0); //调用done方法 done(); return true; }
(7)innerRunAndReset
innerRunAndReset与innerRun不同之处在于,innerRunAndReset只运行却不返回结果,所以innerRunAndReset更适合一些重置恢复的操作。
boolean innerRunAndReset() { // 将状态为未运行设置为运行中 if (!compareAndSetState(0, RUNNING)) return false; try { runner = Thread.currentThread(); // 再次判断状态 if (getState() == RUNNING) // 执行call callable.call(); // 不设置结果 runner = null; // 将状态重置为未运行 return compareAndSetState(RUNNING, 0); } catch (Throwable ex) { // 设置异常 innerSetException(ex); return false; } }
4)其他方法
(1)ranOrCancelled
判断状态是否为 RAN或 CANCELLED状态。
private boolean ranOrCancelled(int state) { return (state & (RAN | CANCELLED)) != 0; }可以看到 ranOrCancelled是通过状态值与 RAN或 CANCELLED值做与运算。
假设此时state值为0,与运算后结果为0,则最终结果就为false,所以即不为 RAN也不为 CANCELLED。
(2)innerIsDone
判断内部执行是否完成。
boolean innerIsDone() { return ranOrCancelled(getState()) && runner == null; }
首先判断状态是否为 RAN或 CANCELLED,然后再判断 runner是否为空。
(3)tryReleaseShared
尝试释放共享锁。
/** * AQS的基本实现,当状态为已完成和runner为空时释放共享锁 */ protected boolean tryReleaseShared(int ignore) { runner = null; return true; }
可以看到 tryReleaseShared为 protected 方法,而且方法体中也没有太具体的实现,那是因为这种 protected 修饰的方法需要使用者自行实现。
还有几个其他类似的方法,这里就不一一说明了,它们的原理跟这几个方法类似。
3.FutureTask方法
1)get()方法
等待计算完成,然后获取其结果,如果未返回结果则阻塞。
以下是get方法的源代码:
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException { return sync.innerGet(); }
get方法调用的是Sync内部类的 innerGet方法,innerGet方法在上面已经分析过,这里就不赘述了。
2)get(long timeout, TimeUnit unit)方法
在指定时间内等待,如果时间已到无结果则返回null。
3)set(V v)方法
除非已经设置了此 Future 或已将其取消,否则将其结果设置为给定的值。在计算成功完成时通过 run 方法内部调用此方法。
set方法调用的是Sync内部类的innerSet方法。
protected void set(V v) { sync.innerSet(v); }
4)run()方法
除非已将此 Future 取消,否则将其设置为其计算的结果。
run方法调用的是Sync内部类的 innerRun方法。
public void run() { sync.innerRun(); }
5)runAndReset()方法
执行计算而不设置其结果,然后将此 Future 重置为初始状态,如果计算遇到异常或已取消,则该操作失败。本操作被设计用于那些本质上要执行多次的任务。
runAndReset方法调用的是Sync内部类的 runAndReset方法。
protected boolean runAndReset() { return sync.innerRunAndReset(); }
6)cancel(boolean mayInterruptIfRunning)方法
试图取消对此任务的执行。如果任务已完成、或已取消,或者由于某些其他原因而无法取消,则此尝试将失败。当调用 cancel 时,如果调用成功,而此任务尚未启动,则此任务将永不运行。如果任务已经启动,则 mayInterruptIfRunning 参数确定是否应该以试图停止任务的方式来中断执行此任务的线程。
cancel方法调用的也是Sync内部类的 innerCancel方法。
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) { return sync.innerCancel(mayInterruptIfRunning); }
可以看到 FutureTask的几个方法其实调用的都是Sync内部类的相关方法,所以 FutureTask的其他方法就不介绍了,只需要把 Sync的相关方法理解就可以了。
4.FutureTask使用
FutureTask的各个方法我们基本已经了解了,接下来就是通过实例来学习如何使用 FutureTask。
FutureTask与 Future的使用方式类似:
public class FutureTest { public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException { // 创建线程池 ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool(); // 创建FutureThread实例 FutureThread ft = new FutureThread(); FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(ft); // 第一种方式,使用方式与 Future相同 es.submit(futureTask); // 第二种方式,使用 Thread运行 Runnable实现,同样可以得到结果 //Thread thread = new Thread(futureTask); //thread.start(); // 关闭线程池 es.shutdown(); // 获取结果 Integer result = futureTask.get(); // 判断结果 if (result != null) { System.out.println("执行成功,结果为:" + result); } else { System.out.println("执行失败"); } } } class FutureThread implements Callable<Integer> { // 执行函数 public Integer call() throws Exception { System.out.println("开始执行"); return new Random().nextInt(100); } }
除了之上创建FutureTask实例的方式外,我们还可以这样来写:
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(new Callable<Integer>() { public Integer call() throws Exception { System.out.println("开始执行"); return new Random().nextInt(100); } });