Future与Callable原理

小飞哥小
297 阅读4分钟

本文主要介绍Future与Callable原理，即如何在线程外获取线程执行结果以及其原理。

1 示例

1.1 示例一

以下示例代码通过线程池执行一个Callable，然后通过Future来获取返回结果。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Callable<Integer> callable = () -> {
        Thread.sleep(1000);
        Random random = new Random();
        return random.nextInt(100);
    };
    ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
    Future<Integer> future = executorService.submit(callable);
    System.out.println(DateUtil.getCurrentTime() + " ready to do task");
    Integer result = future.get();
    System.out.println(DateUtil.getCurrentTime() + " get task result! result=" + result);
}

此方法的执行结果如下，可以看出，主线程等待task执行了，1s以后线程执行完毕，返回结果后，主线程获取到结果并输出。

14:45:57:090 ready to do task
14:45:58:123 get task result! result=46

1.2 示例二

以下示例中，我们自己创建并执行线程：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Callable<Integer> callable = () -> {
        Thread.sleep(1000);
        Random random = new Random();
        return random.nextInt(100);
    };

    FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(callable);
    Thread thread = new Thread(task);
    System.out.println(DateUtil.getCurrentTime() + " ready to do task");
    thread.start();
    Integer result = task.get();
    System.out.println(DateUtil.getCurrentTime() + " get task result! result=" + result);
}

输出结果如下所示

15:51:47:615 ready to do task
15:52:13:885 get task result! result=31

2 原理分析

上面两个示例之所以能获取到线程的执行结果，而且其原理都是一样的。都源于Callable、Future、Runnable、FutureTask这几个类的支持，接下来我们将分析一下这是如何实现的。

2.1 原理概述

一个线程（例如threadA）获取另外一个线程（例如：threadB）的执行结果，这个功能基于两点实现：将对Runnable#run的执行转换成对Callable#call方法的调用，并存储返回结果；通过等待队列来管理等待结果的线程（类似于AQS）。 对于我们常用的FutureTask对象而言，可以理解成FutrueTask在Runnable、Callable中间做了一个转换器，将线程的Runnable#run方法的执行转换到对Callable#call方法的调用，因为run方法是线程中执行任务的方法，call本身有返回结果，所以FutureTask在运行run方法时只需要执行call方法，然后将执行的结果保存到一个地方，这样以后其他线程就能通过Future来获取其他线程的执行结果了。 简单而言，如下图所示： 原理.png

  • 创建Callable对象，并在其call()方法中添加需要执行的任务。
  • 通过Callable创建FutureTask（taskB）。
  • 通过task创建线程（threadB），然后执行此线程start()方法。
  • 操作系统调度并执行threadB的run()方法，因为FutureTask实现了Runnable接口，所以此时执行的是FutureTask（taskB）中的run()方法。
  • threadA通过taskB.get()方法获取threadB的执行结果，如果threadB未执行完毕，那么threadA将被挂起。
  • FutureTask的run()方法主要逻辑是：执行Callable的call()方法；然后将call方法的返回结果set到FutrueTask的outcome字段中；然后唤醒等待此线程运行结果的线程（即threadA）。

2.2 Callable

Callable接口非常简单，只是声明了一个call方法。

public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

2.3 Future

Future可以代表一个异步计算的结果，通过get方法可获取此结果：如果计算尚未完成，那么当前线程将被挂起；如果计算已经完成，当前线程将会被唤醒并得到此结果。 以下是Jdk提供的一段使用Futrue的示例代码，这段代码和上面的「示例一」很像，所以就不过多介绍。

interface ArchiveSearcher {
    String search(String target);
}

ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
ArchiveSearcher searcher = (target) -> {
    return "query=" + target + "  content=hello world";
};

void showSearch(final String target) throws InterruptedException {
    Future<String> future = executor.submit(() -> {
        return searcher.search(target);
    });

    try {
        displayText(future.get()); // use future
    } catch (ExecutionException ex) {
        cleanup();
        return;
    }
}

2.4 FutureTask

2.4.1 继承结构

FutureTask是Future子类中最常用的一个，其继承结果如下图所示： FutureTask继承结果.png 从继承关系中可以看到，FutureTask实现了Runnable，所以能通过FutureTask创建一个线程，运行一些指定的任务；FutrueTask实现了Future，所以能实现返回异步计算的结果。

2.4.2 对Runnable#run方法的封装

FutureTask实现了Runnable接口并实现了run方法，这是其能够实现返回线程结果最重要的原因。因为在run方法中会调用Callable#call方法，并将结果保存在下来，这样后面的线程只要能够访问FutureTask，就可以获取保存的结果。接下来我们将详细讨论有关的几个方法。

2.4.2.1 run()方法

此方法主要逻辑是：

  • 进行状态校验，如果线程已经启动那么将直接返回。
  • 执行Callable的call()方法。
  • 通过set方法，将执行结果更新到FutrueTask的outcome字段中，并唤醒等待此结果的线程。 源码如下所示：
public void run() {
    if (state != NEW ||
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                     null, Thread.currentThread()))
        return;
    try {
        Callable<V> 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 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);
    }
}
2.4.2.2 set()方法

set()方法的主要逻辑是：

  • 将线程的状态更新为完成状态
  • 将call方法的返回结果更新到FutureTask的outcome字段中；
  • 唤醒等待此线程运行结果的线程。 源码如下所示：
protected void set(V v) {
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = v;
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

2.4.3 通过等待队列管理等待结果的线程

2.4.3.1 管理挂起线程

假设现在有三个线程都在等待执行结果，并且调用get()以求获得结果的顺序是thread1、thread2、thread3（这里假设线程按照这个顺序被挂起），那么FutureTask中waiters会指向一个链表，如下所示：

管理挂起线程.png 每一个线程通过get()方法获取结果时，因为任务还没有执行完，所以他们需要进入等待状态，即被挂起。在被挂起之前，每个线程都会创建一个WaitNode节点，并挂在waiters属性上。当线程执行完毕，就通过这个链表找到挂起的线程，接着就可以唤醒这些被挂起的线程了，最后返回线程的执行结果

2.4.3.2 get()方法

线程可以通过FutureTask#get方法来获取其他线程的执行结果，这里返回的值，其实就是上面run方法中保存的那个值。 从源码可以看到，只要任务没有运行完，状态就不会是COMPLETING，线程就会通过awaitDone被挂起。

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING)
        s = awaitDone(false, 0L);
    return report(s);
}
2.4.3.3 awaitDone()方法

此方法就是用来将需要等待的线程挂起，挂起的逻辑可以参考上面「管理挂起线程」部分以及以下源码。注意，如果线程被中断或者等待时间超过时限了，那么等待队列将会被清理，而等待的线程将会被唤醒。

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);
    }
}
2.4.3.4 finishCompletion()方法

在set()方法中我们看到，首先将结果保存好，然后通过finishCompletion方法清理因为等待挂起的线程：清理链表，唤醒线程。

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
}
avatar
文章
阅读
粉丝
相关推荐
通过 Callable 和 Future（或 FutureTask）创建线程
246阅读
 · 
1点赞
线程使用Runnable还是Callable
258阅读
 · 
1点赞
详解Java之Future和Callable
313阅读
 · 
1点赞
Java并发编程：解读Thread、Callable、Runnable、FutureTask的关系
217阅读
 · 
1点赞
JUC基础05——Callable、Future和FutureTask
115阅读
 · 
0点赞