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Java异步任务计算FutureTask源码分析

了解一下什么是FutureTask?FutureTask是一个可取消的异步计算。FutureTask提供了对Future的基本实现,可以调用方法去开始和取消一个计算,可以查询计算是否完成,并且获取计算结果。FutureTask只能在计算完成后获取到计算结果,一旦计算完成,将不能重启或者取消,除非调用runAndReset方法。FutureTask除了实现了Future接口以外,还实现了Runnable接口,因此FutureTask是可以交由线程池的Executor执行,也可以直接使用一个异步线程调用执行(

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    了解一下什么是FutureTask?

    FutureTask 是一个可取消的异步计算。

    FutureTask提供了对Future的基本实现,可以调用方法去开始和取消一个计算,可以查询计算是否完成,并且获取计算结果。

    FutureTask只能在计算完成后获取到计算结果,一旦计算完成,将不能重启或者取消,除非调用runAndReset方法。

    FutureTask除了实现了Future接口以外,还实现了Runnable接口,因此FutureTask是可以交由线程池的Executor执行,也可以直接使用一个异步线程调用执行(futureTask.run())。

    FutureTask 是如何实现的呢?

    首先,我们看一下FutureTask类的继承结构,如下图,它实现的是RunnableFuture接口,而RunnableFuture继承自Future和函数式接口Runnable,所以说FutureTask本质就是一个可运行的Future。

    Java异步任务计算FutureTask源码分析

    Future 接口约定了一些异步计算类必须要实现的功能,源码如下:

    package java.util.concurrent;
    public interface Future {
        /**
         * 尝试取消任务的执行,并返回取消结果。
         * 参数mayInterruptIfRunning:是否中断线程。
         */
        boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
        /**
         * 判断任务是否被取消(正常结束之前被被取消返回true)
         */
        boolean isCancelled();
        /**
         * 判断当前任务是否执行完毕,包括正常执行完毕、执行异常或者任务取消。
         */
        boolean isDone();
        /**
         * 获取任务执行结果,任务结束之前会阻塞。
         */
        V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
        /**
         * 在指定时间内尝试获取执行结果。若超时则抛出超时异常TimeoutException
         */
        V get(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
    }

    Runnable 接口我们都很熟悉,他就是一个函数式接口,我们常用其创建一个线程。

    package java.lang;
    ?
    @FunctionalInterface
    public interface Runnable {
     ? ?
     ? ?public abstract void run();
    }

    FutureTask就是一个将要被执行的任务,它包含了以上接口具体的实现,FutureTask内部定义了任务的状态state和一些状态的常量,它的内部核心是一个Callable callable,我们通过构造函数可以传入callable或者是runnable,最后都会内部转为callable,因为我们需要获取异步任务的执行结果,只有通过Callable创建的线程才会返回结果。

    我们可以通过此时的状态判断Future中isCancelled(),isDone()的返回结果。

    以下为FutureTask源码,内含核心源码分析注释

    package java.util.concurrent;
    import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
    public class FutureTask implements RunnableFuture {
        /**
         * 任务的运行状态
         */
        private volatile int state;
        private static final int NEW          = 0; // 新建
        private static final int COMPLETING   = 1; // 完成
        private static final int NORMAL       = 2; // 正常
        private static final int EXCEPTIONAL  = 3; // 异常
        private static final int CANCELLED    = 4; // 取消
        private static final int INTERRUPTING = 5; // 中断中
        private static final int INTERRUPTED  = 6; // 中断的
        private Callable callable;
        /**
     	 * 返回结果
     	 */
        private Object outcome; 
        private volatile Thread runner;
        private volatile WaitNode waiters;
        ...
        public FutureTask(Callable callable) {
            if (callable == null)
                throw new NullPointerException();
            this.callable = callable;
            this.state = NEW;       
        }
        public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
            this.callable = Executors.callable(runnable, result);
            this.state = NEW;       
        }
        public boolean isCancelled() {
            return state >= CANCELLED;
        }
        public boolean isDone() {
            return state != NEW;
        }
        /*
         * 取消任务实现
         *   如果任务还没有启动就调用了cancel(true),任务将永远不会被执行。
         *   如果任务已经启动,参数mayInterruptIfRunning将决定任务是否应该中断执行该任务的线程,以尝试中断该任务。
         *   如果任务任务已经取消、已经完成或者其他原因不能取消,尝试将失败。
         */
        public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
            if (!(state == NEW &&
                  UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
                      mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
                return false;
            try {    // in case call to interrupt throws exception
                if (mayInterruptIfRunning) {
                    try {
                        Thread t = runner;
                        if (t != null)
                            t.interrupt();
                    } finally { // final state
                        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
                    }
                }
            } finally {
                finishCompletion();
            }
            return true;
        }
            /*
         * 等待获取结果
         *   获取当前状态,判断是否执行完成。并且判断时间是否超时
         *   如果任务没有执行完成,就阻塞等待完成,若超时抛出超时等待异常。
         */
        public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
            int s = state;
            if (s <= COMPLETING)
                s = awaitDone(false, 0L);
            return report(s);
        }
      /*
         * 等待获取结果
         *   获取当前状态,判断是否执行完成。
         *   如果任务没有执行完成,就阻塞等待完成。
         */
        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);
        }
        /**
         * 根据状态判断返回结果还是异常
         */
        private V report(int s) throws ExecutionException {
            Object x = outcome;
            if (s == NORMAL)
                return (V)x;
            if (s >= CANCELLED)
                throw new CancellationException();
            throw new ExecutionException((Throwable)x);
        }
        protected void done() { }
        /**
         * 设置结果借助CAS确认状态是否完成状态
         */
        protected void set(V v) {
            if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
                outcome = v;
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
                finishCompletion();
            }
        }
        /**
         * 设置异常,当运行完成出现异常,设置异常状态
         */
        protected void setException(Throwable t) {
            if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
                outcome = t;
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
                finishCompletion();
            }
        }
        /*
         * 执行callable获取结果,或者异常
         *   判断状态是不是启动过的,如果是新建才可以执行run方法
         */
        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 = null;
                int s = state;
                if (s >= INTERRUPTING)
                    handlePossibleCancellationInterrupt(s);
            }
        }
        /**
         * 重新执行
         */
        protected boolean runAndReset() {
            if (state != NEW ||
                !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                             null, Thread.currentThread()))
                return false;
            boolean ran = false;
            int s = state;
            try {
                Callable c = callable;
                if (c != null && s == NEW) {
                    try {
                        c.call(); // don't set result
                        ran = true;
                    } catch (Throwable ex) {
                        setException(ex);
                    }
                }
            } finally {
                runner = null;
                s = state;
                if (s >= INTERRUPTING)
                    handlePossibleCancellationInterrupt(s);
            }
            return ran && s == NEW;
        }
        /*
         * 处理可能取消的中断
         */
        private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) {
            if (s == INTERRUPTING)
                while (state == INTERRUPTING)
                    Thread.yield(); 
        }
        static final class WaitNode {
            volatile Thread thread;
            volatile WaitNode next;
            WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
        }
        /**
         * 移除并唤醒所有等待线程,执行done,置空callable
         */
        private void finishCompletion() {
            // assert state > COMPLETING;
            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);
                        }
                        WaitNode next = q.next;
                        if (next == null)
                            break;
                        q.next = null; // unlink to help gc
                        q = next;
                    }
                    break;
                }
            }
            done();
            callable = null;        // to reduce footprint
        }
        /**
         * 等待完成
         * 首先判断是否超时
         * 处理中断的,然后处理异常状态的,处理完成的...
         */
        private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
            throws InterruptedException {
            final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
            WaitNode q = null;
            boolean queued = false;
            for (;;) {
                if (Thread.interrupted()) {
                    removeWaiter(q);
                    throw new InterruptedException();
                }
                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) {
                    nanos = deadline - System.nanoTime();
                    if (nanos <= 0L) {
                        removeWaiter(q);
                        return state;
                    }
                    LockSupport.parkNanos(this, nanos);
                }
                else
                    LockSupport.park(this);
            }
        }
        /**
         * 去除等待
         */
        private void removeWaiter(WaitNode node) {
            if (node != null) {
                node.thread = null;
                retry:
                for (;;) {          // restart on removeWaiter race
                    for (WaitNode pred = null, q = waiters, s; q != null; q = s) {
                        s = q.next;
                        if (q.thread != null)
                            pred = q;
                        else if (pred != null) {
                            pred.next = s;
                            if (pred.thread == null) // check for race
                                continue retry;
                        }
                        else if (!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                              q, s))
                            continue retry;
                    }
                    break;
                }
            }
        }
        // Unsafe mechanics
        private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
        private static final long stateOffset;
        private static final long runnerOffset;
        private static final long waitersOffset;
        static {
            try {
                UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
                Class k = FutureTask.class;
                stateOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                    (k.getDeclaredField("state"));
                runnerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                    (k.getDeclaredField("runner"));
                waitersOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                    (k.getDeclaredField("waiters"));
            } catch (Exception e) {
                throw new Error(e);
            }
        }
    }

    FutureTask 运行流程

    一般来说,我们可以认为FutureTask具有以下三种状态:

    未启动:新建的FutureTask,在run()没执行之前,FutureTask处于未启动状态。

    private static final int NEW          = 0; // 新建

    已启动:FutureTask对象的run方法启动并执行的过程中,FutureTask处于已启动状态。

    已完成:FutureTask正常执行结束,或者FutureTask执行被取消(FutureTask对象cancel方法),或者FutureTask对象run方法执行抛出异常而导致中断而结束,FutureTask都处于已完成状态。

    private static final int COMPLETING   = 1; // 完成
    private static final int NORMAL       = 2; // 完成后正常设置结果
    private static final int EXCEPTIONAL  = 3; // 完成后异常设置异常
    private static final int CANCELLED    = 4; // 执行取消
    private static final int INTERRUPTING = 5; // 中断中
    private static final int INTERRUPTED  = 6; // 中断的

    FutureTask 的使用

    使用一(直接新建一个线程调用):

    FutureTask task = new FutureTask<>(new Callable() {
    	@Override
        public Integer call() throws Exception {
        	return sum();
        }
    });
    new Thread(task).stat();
    Integer result = task.get();

    使用二(结合线程池使用)

    FutureTask task = new FutureTask<>(new Callable() {
    	@Override
        public Integer call() throws Exception {
        	return sum();
        }
    });
    Executors.newCachedThreadPool().submit(task);
    Integer result = task.get();
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