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概述
在使用java多線程解決問題的時候，為了提高效率，我們常常會異步處理一些計算任務并在最后異步的獲取計算結果，這個過程的實現離不開Future接口及其實現類FutureTask。FutureTask類實現了Runnable, Future接口，接下來我會通過源碼對該類的實現進行詳解。
使用
我們先看下FutureTask中的主要方法如下，可以看出FutureTask實現了任務及異步結果的集合功能。看到這塊的方法，大家肯定會有疑問，Runnable任務的run方法返回空，FutureTask如何依靠該方法獲取線程異步執行結果，這個問題，我們在下面給大家介紹。
//以下五個方法實現接口Future中方法 public boolean isCancelled(); public boolean isDone(); public boolean cancel(); public V get() throws InterruptedException, ExecutionException; public V get(long timeout, TimeUnit unit); //實現接口Runnable中方法 public void run();
我們在使用中會構造一個FutureTask對象，然后將FutureTask扔到另一個線程中執行，而主線程繼續執行其他業務邏輯，一段時間后主線程調用FutureTask的get方法獲取執行結果。下面我們看一個簡單的例子：
/**
* Created by yuanqiongqiong on 2019/4/9.
*/
public class FutureTaskTest {
private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
public static void main(String []args) {
Callable callable = new AccCallable(1, 2);
FutureTask futureTask = new FutureTask(callable);
executorService.execute(futureTask);
System.out.println("go to do other things in main thread");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("go back in main thread");
try {
int result = (int) futureTask.get();
System.out.println("result is " + result);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
static class AccCallable implements Callable<Integer> {
private int a;
private int b;
public AccCallable(int a, int b) {
this.a = a;
this.b = b;
}
@Override
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("acc a and b in threadId = " + Thread.currentThread().getName());
return a + b;
}
}
}
輸出結果為：
go to do other things in main thread acc a and b in threadId = pool-1-thread-1 go back in main thread result is 3
實現分析
在分析實現前，我們先想下如果讓我們實現一個類似FutureTask的功能，我們會如何做？因為需要獲取執行結果，需要一個Object對象來存執行結果。任務執行時間不可控性，我們需要一個變量表示執行狀態。其他線程會調用get方法獲取結果，在沒達到超時的時候需要將線程阻塞或掛起。
因此需要一個隊列類似的結構存儲等待該結果的線程信息，這樣在任務執行線程完成后就可以喚醒這些阻塞或掛起的線程，得到結果。FutureTask的實際實現也是類似的邏輯，具體如下。
首先看下FutureTask的主要成員變量如下：
//futureTask執行狀態 private volatile int state; //具體的執行任務，會在run方法中抵用callable.call() private Callable<V> callable; //執行結果 private Object outcome; //獲取結果的等待線程節點 private volatile WaitNode waiters;
對于執行狀態，在源碼中已經有了非常清晰的解釋，這里我只是貼出源碼，不在進行說明，具體如下：
/** * Possible state transitions: * NEW -> COMPLETING -> NORMAL * NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL * NEW -> CANCELLED * NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED */ 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;
然后我們看下FutureTask的構造函數，如下：
public FutureTask(Callable<V> callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
this.callable = callable;
this.state = NEW; // ensure visibility of callable
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
//構造函數傳入runnable對象時調用靜態工具類Executors的方法轉換為一個callable對象
this.callable = Executors.callable(runnable, result);
this.state = NEW; // ensure visibility of callable
}
如前所述，FutureTask的執行線程中會調用其run()方法執行任務，我們看下這塊邏輯：
public void run() {
//1.如果執行狀態不是NEW或者有其他線程執行該任務，直接返回
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return;
try {
Callable<V> c = callable;
//2.如果執行狀態是NEW,即任務還沒執行，直接調用callable.call()方法獲取執行結果
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
//3.發生異常，更新status為EXCEPTIONAL，喚醒掛起線程
setException(ex);
}
//4.如果結果成功返回，調用set方法將設置outcome，更改status執行狀態，喚醒掛起線程
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);
}
}
我們看下set函數的實現，具體看下4中的執行：
protected void set(V v) {
//將執行狀態變更為COMPLETING
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
//設置執行結果
outcome = v;
//設置執行狀態為NORMAL
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
//執行完成后處理操作，具體就是遍歷阻塞鏈表，刪除鏈表節點，并喚醒每個節點關聯的線程
finishCompletion();
}
}
以上就是任務執行線程做的邏輯，以上邏輯也回答了FutureTask如何得到執行結果的疑問。下面我們看下用戶調用get方法獲取執行結果時的實現邏輯，這個時候FutureTask可能處理各種狀態，即可能沒有執行，執行中，已完成，發生異常等，具體如下：
public V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
if (unit == null)
throw new NullPointerException();
int s = state;
//執行狀態是NEW或者COMPLETING時執行awaitDone將線程加入等待隊列中并掛起線程
if (s <= COMPLETING &&
(s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
throw new TimeoutException();
//根據執行狀態status進行結果封裝
return report(s);
}
//我理解這塊是get的核心邏輯
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException {
//如果設置了超時時間，計算還有多長時間超時
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
WaitNode q = null;
boolean queued = false;
for (;;) {
//如果當前線程被中斷，刪除等待隊列中的節點，并拋出異常
if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}
int s = state;
//如果執行狀態已經完成或者發生異常，直接跳出自旋返回
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
//如果執行狀態是正在執行，說明線程已經被加入到等待隊列中，放棄cpu進入下次循環(真正的自旋)
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
//第一次進入循環，創建節點
else if (q == null)
q = new WaitNode();
//將節點加入到等待隊列中，waiters相當于頭階段，不斷將頭結點更新為新節點
else if (!queued)
queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q.next = waiters, q);
else if (timed) {
//如果設置了超時時間，在進行下次循環前查看是否已經超時，如果超時刪除該節點進行返回
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
removeWaiter(q);
return state;
}
//掛起當前節點
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
else
LockSupport.park(this);
}
}
這里需要說明一點，FutureTask中的阻塞隊列新加入的節點都在頭結點并且next指向之前的頭結點，waitars指針總是指向新加入節點，通過waitars可以遍歷整個等待隊列，具體截圖如下。此外等待隊列節點結構很簡單成員變量只有線程引用和next指針，這里再列出器接口。
futureTask等待隊列
讀到這里，相信大家已經對FutureTask的實現細節有了一定的認識。此外，FutureTask沒有使用鎖而是使用Unsafe的是CAS的原子操作來解決競爭問題，減少了鎖帶來的上下文切換的開銷，提高了效率。
以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持億速云。
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