Future、ExecutorService 源码解析

2022-10-28 14:15:22

Future、ExecutorService 源码解析

Thread 或者 Runnable 方法开启的线程是没有返回值，如果我们需要子线程计算，取得结果后返回，可以用 Callable。

整体架构

关于线程 API 之间关系的依赖图：

我们首先看一个 demo，这个场景说的是我们往线程池里面提交一个有返回值的线程，代码如下：

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
        3, 3, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingDeque<>());
    FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<String>() {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            return "子线程" + Thread.currentThread().getName();
        }
    });
    executor.submit(futureTask);
    String result = futureTask.get();
    System.out.println(result);
}

从这个 demo 中，我们可以看出：

Callable 定义我们需要做的事情，可以有返回值
FutureTask 我们叫做任务，参数是 Callable，是对 Callable 的包装，方便线程池的使用
最后通过 FutureTask.get() 得到子线程的结果

Callable

Callable 是一个接口，约定了线程要做的事情，和 Runnable 一样，只不过这个线程任务是有返回值的，我们来看下接口定义：

@FunctionalInterface
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;
}

返回值是一个泛型，可以定义成任何类型，但我们使用的时候，都不会直接使用 Callable，而是会结合 FutureTask 一起使用。

FutureTask

FutureTask 我们可以当做是线程运行的具体任务，从上图中我们可以看到 FutureTask 实现了 RunnableFuture 接口

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {}

而 RunnableFuture 又实现了 Runnable，Future 两个接口

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    /**
     * Sets this Future to the result of its computation
     * unless it has been cancelled.
     */
    void run();
}

而 RunnableFuture 又实现了 Runnable, Future 两个接口，接下来我们先看 Future，再看 RunnableFuture，最后看 FutureTask。

Future

Callable 是可以返回子线程执行结果的，在获取结果的时候，就需要用到 Future 接口了。

Future 接口注释上写了这些：

定义了异步计算的接口，提供了计算是否完成的 check、等待完成和取回等多种方法；
如果想得到结果可以使用 get 方法，此方法（无参方法）会一直阻塞到异步任务计算完成；
取消可以使用 cancel 方法，但一旦任务计算完成，就无法被取消了。

Future 接口定义了这些方法：

public interface Future<V> {
	// 取消任务
    // 如果任务已经成功了，或者已经取消了，是无法取消的，会直接返回true
    // 如果任务还没开始，发起取消是可以取消成功的
    // 如果任务已经在运行，mayInterruptIfRunning为true的话，可以打断运行中的线程，false不能打断直接返回
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    // 判断是否被取消
    boolean isCancelled();

    // 判断是否运行结束（包括被取消）
    boolean isDone();

	// 阻塞获取结果，被取消和中断会抛对应的异常
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    // 阻塞获取结果，超时会抛异常
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

RunnableFuture

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run();
}

RunnableFuture 接口的最大目的，是让 Future 可以对 Runnable 进行管理，可以取消 Runnable，查看 Runnable 是否完成等等。

统一 Callable 和 Runnable

我们现在清楚了，新建任务有两种方式，一种是无返回值的 Runnable，一种是有返回值的 Callable，但对 Java 其他 API 来说使用起来并不是很方便，没有一个统一的接口，比如说线程池在提交任务时，是不是应该针对 Runnable 和 Callable 两种情况提供不同的实现思路呢？所以 FutureTask 出现了，FutureTask 实现了 RunnableFuture 接口，又集合了 Callable（Callable 是 FutureTask 的属性），还提供了两者一系列的转化方法，这样 FutureTask 就统一了 Callable 和 Runnable，我们一起来细看下。

FutureTask 的类定义

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {}

从类定义上可以看出来 FutureTask 实现了 RunnableFuture 接口，也就是说间接实现了 Runnnable 接口（RunnableFuture 实现了 Runnnable 接口），就是说 FutureTask 本身就是个 Runnnable，同时 FutureTask 也实现了 Future，也就是说 FutureTask 具备对任务进行管理的功能（Future 具备对任务进行管理的功能）。

FutureTask 的属性

我们一起来看下 FutureTask 有哪些重要属性：

// 任务状态
private volatile int state;
private static final int NEW          = 0;//线程任务创建
private static final int COMPLETING   = 1;//任务执行中
private static final int NORMAL       = 2;//任务执行结束
private static final int EXCEPTIONAL  = 3;//任务异常
private static final int CANCELLED    = 4;//任务取消成功
private static final int INTERRUPTING = 5;//任务正在被打断中
private static final int INTERRUPTED  = 6;//任务被打断成功
 
// 组合了 Callable 
private Callable<V> callable;
// 异步线程返回的结果
private Object outcome; 
// 当前任务所运行的线程
private volatile Thread runner;
// 记录调用 get 方法时被等待的线程
private volatile WaitNode waiters;

从属性上我们明显看到 Callable 是作为 FutureTask 的属性之一，这也就让 FutureTask 具备了转化 Callable 和 Runnable 的功能，接着我们看下 FutureTask 的构造器，看看两者是如何转化的。

FutureTask 的构造器

FutureTask 有两个构造器，分别接受 Callable 和 Runnable，如下：

// 使用 Callable 进行初始化
public FutureTask(Callable<V> callable) {
    if (callable == null)
        throw new NullPointerException();
    this.callable = callable;
    // 任务状态初始化
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}
 
// 使用 Runnable 初始化，并传入 result 作为返回结果。
// Runnable 是没有返回值的，所以 result 一般没有用，置为 null 就好了
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
    // Executors.callable 方法把 runnable 适配成 RunnableAdapter，RunnableAdapter 实现了 callable，所以也就是把 runnable 直接适配成了 callable。
    this.callable = Executors.callable(runnable, result);
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

Runnable 的两个构造器，只有一个目的，就是把入参都转化成 Callable，那么为什么不都转化成 Runnnable 呢？主要是因为 Callable 的功能比 Runnnable 丰富，Callable 有返回值，而 Runnnable 没有。

我们注意到入参是 Runnable 的构造器，会使用 Executors.callable 方法来把 Runnnable 转化成 Callable，Runnnable 和 Callable 两者都是接口，两者之间是无法进行转化的，所以 Java 新建了一个转化类：RunnableAdapter 来进行转化，我们来看下转化的逻辑：

// 转化 Runnable 成 Callable 的工具类
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;
    }
}

我们可以看到：

首先 RunnableAdapter 实现了 Callable，所以 RunnableAdapter 就是 Callable；
其次 Runnable 是 RunnableAdapter 的一个属性，在构造 RunnableAdapter 的时候会传进来，并且在 call 方法里面调用 Runnable 的 run 方法。

这是一个典型的适配模型，我们要把 Runnable 适配成 Callable，首先要实现 Callable 的接口，接着在 Callable 的 call 方法里面调用被适配对象（Runnable）的方法。

FutureTask 构造器设计很巧妙，将 Runnable 和 Callable 灵活的打通，向内和向外只提供功能更加丰富的 Callable 接口，值得我们学习。

FutureTask 对 Future 接口方法的实现

我们主要看几个关键的方法实现源码。

get

get 有无限阻塞和带超时时间两种方法，我们通常建议使用带超时时间的方法，源码如下：

public V get(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
    if (unit == null)
        throw new NullPointerException();
    int s = state;
    // 如果任务已经在执行中了，并且等待一定的时间后，仍然在执行中，直接抛出异常
    if (s <= COMPLETING &&
        (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
        throw new TimeoutException();
    // 任务执行成功，返回执行的结果
    return report(s);
}
// 等待任务执行完成
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException {
    // 计算等待终止时间，如果一直等待的话，终止时间为 0
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    WaitNode q = null;
    // 不排队
    boolean queued = false;
    // 无限循环
    for (;;) {
        // 如果线程已经被打断了，删除，抛异常
        if (Thread.interrupted()) {
            removeWaiter(q);
            throw new InterruptedException();
        }
        // 当前任务状态
        int s = state;
        // 当前任务已经执行完了，返回
        if (s > COMPLETING) {
            // 当前任务的线程置空
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
        // 如果正在执行，当前线程让出 cpu，重新竞争，防止 cpu 飙高
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
            Thread.yield();
            // 如果第一次运行，新建 waitNode，当前线程就是 waitNode 的属性
        else if (q == null)
            q = new WaitNode();
            // 默认第一次都会执行这里，执行成功之后，queued 就为 true，就不会再执行了
            // 把当前 waitNode 当做 waiters 链表的第一个
        else if (!queued)
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                 q.next = waiters, q);
            // 如果设置了超时时间，并过了超时时间的话，从 waiters 链表中删除当前 wait
        else if (timed) {
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            if (nanos <= 0L) {
                removeWaiter(q);
                return state;
            }
            // 没有过超时时间，线程进入 TIMED_WAITING 状态
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
        }
        // 没有设置超时时间，进入 WAITING 状态
        else
            LockSupport.park(this);
    }
}

get 方法虽然名字叫做 get，但却做了很多 wait 的事情，当发现任务还在进行中，没有完成时，就会阻塞当前进程，等待任务完成后再返回结果值。阻塞底层使用的是 LockSupport.park 方法，使当前线程进入 WAITING 或 TIMED_WAITING 状态。

run

/**
 * run 方法可以直接被调用
 * 也可以开启新的线程进行调用
 */
public void run() {
    // 状态不是任务创建，或者当前任务已经有线程在执行了，直接返回
    if (state != NEW ||
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                     null, Thread.currentThread()))
        return;
    try {
        Callable<V> c = callable;
        // Callable 不为空，并且已经初始化完成
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran;
            try {
                // 调用执行
                result = c.call();
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
                result = null;
                ran = false;
                setException(ex);
            }
            // 给 outcome 赋值
            if (ran)
                set(result);
        }
    } finally {
        runner = null;
        int s = state;
        if (s >= INTERRUPTING)
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}

run 方法我们再说明几点：

run 方法是没有返回值的，通过给 outcome 属性赋值（set(result)），get 时就能从 outcome 属性中拿到返回值；
FutureTask 两种构造器，最终都转化成了 Callable，所以在 run 方法执行的时候，只需要执行 Callable 的 call 方法即可，在执行 c.call() 代码时，如果入参是 Runnable 的话，调用路径为 c.call() -> RunnableAdapter.call() -> Runnable.run()，如果入参是 Callable 的话，直接调用。

cancel

// 取消任务，如果正在运行，尝试去打断
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
    if (!(state == NEW &&//任务状态不是创建 并且不能把 new 状态置为取消，直接返回 false
          UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
              mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
        return false;
    // 进行取消操作，打断可能会抛出异常，选择 try finally 的结构
    try {    // in case call to interrupt throws exception
        if (mayInterruptIfRunning) {
            try {
                Thread t = runner;
                if (t != null)
                    t.interrupt();
            } finally { // final state
                //状态设置成已打断
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
            }
        }
    } finally {
        // 清理线程
        finishCompletion();
    }
    return true;
}

总结

大家现在可以回头看看一开始我们贴出来的图，看看自己照着图能否想起来各个 API 的作用，比如 Callable 是干啥的，FutureTask 又有什么作用，Runnable 和 Calllable 之间又是如何关联起来，几个 API 之间的关系的确很复杂，FutureTask 是关键，通过 FutureTask 把 Runnnable、Callable、Future 都串起来了，使 FutureTask 具有三者的功能，统一了 Runnnable 和 Callable，更方便使用。

码农公寓

Future、ExecutorService 源码解析

整体架构

Callable

FutureTask

Future

RunnableFuture

统一 Callable 和 Runnable

FutureTask 的类定义

FutureTask 的属性

FutureTask 的构造器

FutureTask 对 Future 接口方法的实现

get

run

cancel

总结

相关文章