浅谈Java多线程之FutureTask

2021-09-04 02:41:23

Runnable和Callable是多线程中的两个任务接口，实现接口的类将拥有多线程的功能，FutureTask类与这两个类是息息相关！

FutureTask继承体系

浅谈Java多线程之FutureTask

看下这张图，原来FutureTask类实现了Runnable和Future，既然是Runnable的实现类，我们可以写如下的代码：

public static void main(String[] args) {

    FutureTask task = new FutureTask(new Callable() {
        @Override
        public Object call() throws Exception {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "========>正在执行！");
            return "SUCCESS";
        }
    });

    new Thread(task).start();

}

因为FutureTask是Runnable的实现类嘛，根据多态的特性，肯定可以传到Thread的构造器中。

 

FutureTask的构造方法    

构造方法1 接收Callable对象  

public FutureTask(Callable<V> callable) {
    if (callable == null)
        throw new NullPointerException();
    this.callable = callable;
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

构造方法2 接收Runnable对象  和一个泛型的result

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
    this.callable = Executors.callable(runnable, result);
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

原来，FutureTask内部维护Callable类型的成员变量，对于Callable任务，直接赋值即可。而对于Runnable任务，需要先调用Executors#callable()把Runnable先包装成Callable。

Executors.callable(runnable, result);

这行代码用了适配器模式，你给我一个runnable对象，我还你一个callable对象。

public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
    if (task == null)
        throw new NullPointerException();
    return new Executors.RunnableAdapter<T>(task, result);
}

RunnableAdapter是Executors中的静态内部类，上面代码意思是调用该静态内部类的构造方法，生成RunnableAdapter对象，而RunnableAdapter对象实现了Callable接口，根据多态也就相当于得到了一个Callable对象。

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;
    }
}

RunnableAdapter作为Callable的适配器，也拥有call方法，这就是适配器模式。

如果你是用第二种方式来构造FutureTask对象，因为传入的是Runnable，Runnable的run方法是没有返回值的，而Callable的call方法是有返回值的，所以这边就折中一下，返回值需要你在构建FutureTask对象时自己传进去，最后再原封不动地还给你。

如果你是用第一种方式来构造FutureTask对象，那就简单多了，直接传入一个Callable对象即可，返回值你自己决定。

总而言之，FutureTask的构造方法就为了做一件事，即统一Callable和Runnable！

为什么FutureTask要花这么大的精力去搞定Callable和Runnable呢？就是因为统一了好办事啊，以后在线程池的章节中，你还会频繁看到这个类。

捋一捋思路，为什么要用FutureTask？

多线程是Java进阶的难点，也是面试的重灾区，请确保你把上面的代码都理解了之后再来看这一节。

我们再回过头来想想，如何使用多线程呢，是不是有3个方法？如果记不得了请回过去看看上一个章节【线程类】。

第1种方法是直接继承Thread类，重写run方法。

第2种方法是实现Runnable接口，然后还是要靠Thread类的构造器，把Runnable传进去，最终调用的就是Runnable的run方法。

第3种方法是用线程池技术，用ExecutorService去提交Runnable对象/Callable对象，区别是Runnable没有返回值，Callable对象有返回值。

你发现没有，不管你用哪种方式，最终都是要靠Thread类去开启线程的。因为，有且仅有Thread类能通过start0()方法向操作系统申请线程资源（本地方法）

第一种方法因为耦合性太高，很少会使用，实际开发中我们一般都会使用线程池技术，所以第3种方法是有实战意义的。那么问题来了，Runnable和Callable对象都可以被用作线程池的任务，就有人会乱用了啊，有的人喜欢Runnable，有的喜欢Callable，到时候项目的代码就乱成一锅粥啦！

所以，我私以为Java的创始人意识到这一点，就干脆搞一个FutureTask出来一统江湖。我说的这么白，应该都明白了吧，嘿嘿。

FutureTask的7种状态

既然FutureTask是子类，那么必然有比Callable和Runnable强悍的地方，比如FutureTask的7种状态

private volatile int state;
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;

状态含义分别是：

●     0-刚创建 

●     1-即将完成

●     2-完成 

●     3-抛异常 

●     4-任务取消 

●     5-任务即将被打断

●     6-任务被打断

为什么要设置这些状态呢，那是因为FutureTask=任务+结果，调用者何时可以去获取这个结果result呢？FutureTask在调用get方法时，会去判断当前任务的状态，只有当任务完成才会给你实际的result，因此get方法是阻塞的。

 FutureTask的get() 方法

先看下FutureTask的get() 方法是如何使用的：

FutureTask task = new FutureTask(new Callable() {
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "========>正在执行！");
        Thread.sleep(2000); //执行耗时操作
        return "SUCCESS";
    }
});

new Thread(task).start();

System.out.println(task.get());

效果：

Thread-0========>正在执行！
SUCCESS

过了两秒后才打印出SUCCESS，说明get确实是阻塞的。再来一个线程池的例子：

ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();

/**
 * 往线程池中提交一个Callable，立刻返回Future对象，但是该Future对象里面的返回值目前还是null
 * 只有当你调用get方法时，才会阻塞地获取该任务真实的返回值
 */
Future<Object> objectFuture = executorService.submit(new Callable<Object>() {
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "========>正在执行！");
        Thread.sleep(2000); //执行耗时操作
        return "SUCCESS";
    }
});

Object result = objectFuture.get();
System.out.println(result);
executorService.shutdownNow();

FutureTask的run方法

先来看看源代码吧：

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);
    }
}

浅谈Java多线程之FutureTask

FutureTask的run方法第一步果然是获取callable对象，这个callable对象也可能是runnable伪装的，上面介绍了适配器模式，这边就不再赘述了。

浅谈Java多线程之FutureTask

浅谈Java多线程之FutureTask

最终是存储到outcome对象了，简而言之，FutureTask的run方法的作用就是运行callable的call方法，拿到返回值保存到outcome对象，等待有人来取。

薛定谔的FutureTask

为什么说是薛定谔的FutureTask呢？那是因为，当你把FutureTask跑起来的时候，里面的outcome可能没有值，也可能有值。

但是又因为outcome在FutureTask源码中被设置成private，所以如果你要获取这个数据，只能通过get方法。而get方法是阻塞的，当你调用get方法时，一定是等到任务执行成功后，才会返回真实的值。

这就有点像薛定谔的猫，你不去观察它，两种状态皆有可能，一旦你去观察了（调用get方法），就只有一种明确的状态。

其实这真的只是一个小技巧，相信你也能办到，我们用代码来模拟一下这个过程。

首先，新建一个MyFutureTask类：

/**
 * 自定义任务类
 */
public class MyFutureTask implements Runnable{

    /**
     * 为了看到效果，outcome设置为Object
     */
    public Object outcome;

    public void run(){
        try {
            /**
             * 执行耗时操作
             */
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        /**
         * 给outcome赋值
         */
        this.outcome = "SUCCESS";
    }

    public Object get(){
        return outcome;
    }

}

为了模拟线程池，新建一个MyExecutorService类：

class MyExecutorService {

    /**
     * 提交任务
     * @param myFutureTask
     * @return
     */
    public MyFutureTask submit(MyFutureTask myFutureTask){
        /**
         * 开启一个线程把myFutureTask跑掉
         */
        new Thread(myFutureTask).start();
        /**
         * 线程有没有跑完不关心，直接把myFutureTask返回
         * 此时myFutureTask很可能不是最终结果，但其中的outcome一定指向最终结果
         */
        return myFutureTask;
    }
}

测试：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    MyExecutorService myExecutorService = new MyExecutorService();
    MyFutureTask myFutureTask = myExecutorService.submit(new MyFutureTask());
    /**
     * 线程开启立刻查看outcome
     */
    System.out.println(myFutureTask.outcome);
    /**
     * 主线程继续运作
     */
    Thread.sleep(1100);
    /**
     * 再次查看outcome是否有值
     */
    System.out.println(myFutureTask.get());
}

结果：

null
SUCCESS

总结一下，ExecutorService的submit方法只是提交Runnable或Callable任务到线程池，直接返回FutureTask给你，这个FutureTask是薛定谔的FutureTask，里面的outcome现在可能有值，也可能没有。只有当你主动调用get方法，才可以得到确切的值。

 FutureTask的get方法阻塞原理

FutureTask的get方法是阻塞的，当你调用这个方法就一定要等该线程跑完，那么为什么能做到这样呢？

接下来我们看看get方法的阻塞原理是什么，我重新写了一个例子，注释能写的都写了，代码如下：

package com.javaxbfs.thread;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

class MyExecutorService {

  /**
     * 提交任务
     * @param myFutureTask
     * @return
     */
    public MyFutureTask submit(MyFutureTask myFutureTask){
      /**
         * 开启一个线程把myFutureTask跑掉
         */
        Thread thread = new Thread(myFutureTask);
        thread.start();
      /**
         * 把线程赋给myFutureTask的runner属性，以方便查看线程状态
         */
        myFutureTask.runner = thread;
      /**
         * 线程有没有跑完不关心，直接把myFutureTask返回
         * 此时myFutureTask很可能不是最终结果，但其中的outcome一定指向最终结果
         */
        return myFutureTask;
    }
}

/**
 * 自定义任务类
 */
public class MyFutureTask implements Runnable{

  /**
     * 为了看到效果，outcome设置为Object
     */
    public Object outcome;
  /**
     * 当前任务所在的线程
     */
    public volatile Thread runner;

    public void run(){
        try {

          /**
             * 执行耗时操作
             */
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
      /**
         * 给outcome赋值
         */
        this.outcome = "SUCCESS";
    }

    public Object get() throws InterruptedException {
        if(awaitDone())
            return outcome;
        return null;
    }

    private boolean awaitDone() throws InterruptedException {
      /**
         * 做一个死循环，轮询检查当前线程状态
         */
        for(;;){
          /**
             * 如果当前线程被打断，则抛异常结束任务
             */
            if(runner.isInterrupted()){
                throw new InterruptedException();
            }
            if(runner.getState() == Thread.State.NEW){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "新建！");
            }
            if(runner.getState() == Thread.State.RUNNABLE){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备就绪！");
            }

            if(runner.getState() == Thread.State.TERMINATED){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕！");
                return true;
            }
            Thread.sleep(200);
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyExecutorService myExecutorService = new MyExecutorService();
        MyFutureTask myFutureTask = myExecutorService.submit(new MyFutureTask());
      /**
         * 线程开启立刻查看outcome
         */
        System.out.println(myFutureTask.outcome);
      /**
         * 主线程继续运作
         */
        //Thread.sleep(1100);
      /**
         * 再次查看outcome是否有值,现在是阻塞的
         */
        System.out.println(myFutureTask.get());
    }
}

关键就在于这个 awaitDone 方法（源码也叫这个名字），它里面是一个死循环，不断去检查当前FutureTask所在线程的状态，当线程执行结束，就返回true，表示可以给出精确的result了。

真实的get方法实现非常复杂，不过思路是差不多的，有兴趣的童鞋可以去百度了解。

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