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。
一 示例
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
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
二 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。
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：
- 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 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;
}
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;
}
}
4 FutureTask
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：
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) 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。
a) 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。
- 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);
}
}
b) 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();
}
}
3) 通过等待队列管理等待结果的线程
a) 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：
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
b) 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);
}
c) 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);
}
}
d) 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
}