FutureTask
Future是我们在使用java实现异步时最常用到的一个类，我们可以向线程池提交一个Callable，并通过future对象获取执行结果。本篇文章主要讲述了JUC中FutureTask中的一些实现原理。使用的jdk版本是1.7。
Future
Future是一个接口，它定义了5个方法：
1 boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning); 2 boolean isCancelled(); 3 boolean isDone(); 4 V get() throws InterruptedException, ExecutionException; 5 V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
简单说明一下接口定义
- boolean cancel(boolean mayInterruptInRunning) 取消一个任务，并返回取消结果。参数表示是否中断线程。
- boolean isCancelled() 判断任务是否被取消
- Boolean isDone() 判断当前任务是否执行完毕，包括正常执行完毕、执行异常或者任务取消。
- V get() 获取任务执行结果，任务结束之前会阻塞。
- V get(long timeout, TimeUnit unit) 在指定时间内尝试获取执行结果。若超时则抛出超时异常
写个简单demo：
1 public class FutureDemo { 2 public static void main(String[] args) { 3 ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); 4 Future future = executorService.submit(new Callable<Object>() { 5 @Override 6 public Object call() throws Exception { 7 Long start = System.currentTimeMillis(); 8 while (true) { 9 Long current = System.currentTimeMillis(); 10 if ((current - start) > 1000) { 11 return 1; 12 } 13 } 14 } 15 }); 16 17 try { 18 Integer result = (Integer)future.get(); 19 System.out.println(result); 20 }catch (Exception e){ 21 e.printStackTrace(); 22 } 23 } 24 }
这里模拟了1s钟的CPU空转，当执行future.get()的时候，主线程阻塞了大约一秒后获得结果。
当然我们也可以使用get(long timeout, TimeUnit unit)
try { Integer result = (Integer) future.get(500, TimeUnit.MILLISECONDS);
System.out.println(result); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); }
由于在500ms内没有结果返回，所以抛出异常，打印异常堆栈如下
当然，如果我们把超时时间设置的长一些，还是可以得到预期的结果的。
FutureTask实现原理
下面我们介绍一下FutureTask内部的一些实现机制。下文从以下几点叙述：
- 类继承结构
- 核心成员变量
- 内部状态转换
- 核心方法解析
1 类继承结构
首先我们看一下FutureTask的继承结构：
FutureTask实现了RunnableFuture接口，而RunnableFuture继承了Runnable和Future，也就是说FutureTask既是Runnable，也是Future。
2 核心成员变量
FutureTask内部定义了以下变量，以及它们的含义如下
1 private static final int NEW = 0; //任务新建和执行中 2 private static final int COMPLETING = 1; //任务将要执行完毕 3 private static final int NORMAL = 2; //任务正常执行结束 4 private static final int EXCEPTIONAL = 3; //任务异常 5 private static final int CANCELLED = 4; //任务取消 6 private static final int INTERRUPTING = 5; //任务线程即将被中断 7 private static final int INTERRUPTED = 6; //任务线程已中断
- volatile int state:表示对象状态，volatile关键字保证了内存可见性。futureTask中定义了7种状态，代表了7种不同的执行状态
- Callable<V> callable:被提交的任务
- Object outcome:任务执行结果或者任务异常
- volatile Thread runner:执行任务的线程
- volatile WaitNode waiters：等待节点，关联等待线程
- long stateOffset:state字段的内存偏移量
- long runnerOffset：runner字段的内存偏移量
- long waitersOffset：waiters字段的内存偏移量
后三个字段是配合Unsafe类做CAS操作使用的。
3 内部状态转换
FutureTask中使用state表示任务状态，state值变更的由CAS操作保证原子性。
FutureTask对象初始化时，在构造器中把state置为为NEW，之后状态的变更依据具体执行情况来定。
例如任务执行正常结束前，state会被设置成COMPLETING，代表任务即将完成，接下来很快就会被设置为NARMAL或者EXCEPTIONAL，这取决于调用Runnable中的call()方法是否抛出了异常。有异常则后者，反之前者。
任务提交后、任务结束前取消任务，那么有可能变为CANCELLED或者INTERRUPTED。在调用cancel方法时，如果传入false表示不中断线程，state会被置为CANCELLED，反之state先被变为INTERRUPTING，后变为INTERRUPTED。
总结下，FutureTask的状态流转过程，可以出现以下四种情况：
1. 任务正常执行并返回。 NEW -> COMPLETING -> NORMAL
2. 执行中出现异常。NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
3. 任务执行过程中被取消，并且不响应中断。NEW -> CANCELLED
4. 任务执行过程中被取消，并且响应中断。 NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
4 核心方法解析
接下来我们一起扒一扒FutureTask的源码。我们先看一下任务线程是怎么执行的。当任务被提交到线程池后，会执行futureTask的run()方法。
1 public void run()
1 public void run() {<br> // 校验任务状态 2 if (state != NEW || !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread())) 3 return; 4 try { 5 Callable<V> c = callable;<br> // double check 6 if (c != null && state == NEW) { 7 V result; 8 boolean ran; 9 try {<br> //执行业务代码 10 result = c.call(); 11 ran = true; 12 } catch (Throwable ex) { 13 result = null; 14 ran = false; 15 setException(ex); 16 } 17 if (ran) 18 set(result); 19 } 20 } finally {<br> // 重置runner 21 runner = null; 22 int s = state; 23 if (s >= INTERRUPTING) 24 handlePossibleCancellationInterrupt(s); 25 } 26 }
翻译一下，这个方法经历了以下几步
- 校验当前任务状态是否为NEW以及runner是否已赋值。这一步是防止任务被取消。
- double-check任务状态state
- 执行业务逻辑，也就是c.call()方法被执行
- 如果业务逻辑异常，则调用setException方法将异常对象赋给outcome，并且更新state值
- 如果业务正常，则调用set方法将执行结果赋给outcome，并且更新state值
我们继续往下看，setException(Throwable t)和set(V v) 具体是怎么做的
1 protected void set(V v) { 2 // state状态 NEW->COMPLETING 3 if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { 4 outcome = v; 5 // COMPLETING -> NORMAL 到达稳定状态 6 UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); 7 // 一些结束工作 8 finishCompletion(); 9 } 10 } 11 protected void setException(Throwable t) { 12 // state状态 NEW->COMPLETING 13 if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { 14 outcome = t; 15 // COMPLETING -> EXCEPTIONAL 到达稳定状态 16 UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); 17 // 一些结束工作 18 finishCompletion(); 19 } 20 }
code中的注释已经写的很清楚，故不翻译了。状态变更的原子性由unsafe对象提供的CAS操作保证。FutureTask的outcome变量存储执行结果或者异常对象，会由主线程返回。
2 get()和get(long timeout, TimeUnit unit)
任务由线程池提供的线程执行，那么这时候主线程则会阻塞，直到任务线程唤醒它们。我们通过get(long timeout, TimeUnit unit)方法看看是怎么做的
1 public V get(long timeout, TimeUnit unit) 2 throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException { 3 if (unit == null) 4 throw new NullPointerException(); 5 int s = state; 6 if (s <= COMPLETING && 7 (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING) 8 throw new TimeoutException(); 9 return report(s); 10 }
get的源码很简洁，首先校验参数，然后根据state状态判断是否超时，如果超时则异常，不超时则调用report(s)去获取最终结果。
当 s<= COMPLETING时，表明任务仍然在执行且没有被取消。如果它为true，那么走到awaitDone方法。
awaitDone是futureTask实现阻塞的关键方法，我们重点关注一下它的实现原理。
1 /** 2 * 等待任务执行完毕,如果任务取消或者超时则停止 3 * @param timed 为true表示设置超时时间 4 * @param nanos 超时时间 5 * @return 任务完成时的状态 6 * @throws InterruptedException 7 */ 8 private int awaitDone(boolean timed, long nanos) 9 throws InterruptedException { 10 // 任务截止时间 11 final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; 12 WaitNode q = null; 13 boolean queued = false; 14 // 自旋 15 for (;;) { 16 if (Thread.interrupted()) { 17 //线程中断则移除等待线程,并抛出异常 18 removeWaiter(q); 19 throw new InterruptedException(); 20 } 21 int s = state; 22 if (s > COMPLETING) { 23 // 任务可能已经完成或者被取消了 24 if (q != null) 25 q.thread = null; 26 return s; 27 } 28 else if (s == COMPLETING) 29 // 可能任务线程被阻塞了,主线程让出CPU 30 Thread.yield(); 31 else if (q == null) 32 // 等待线程节点为空,则初始化新节点并关联当前线程 33 q = new WaitNode(); 34 else if (!queued) 35 // 等待线程入队列,成功则queued=true 36 queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, 37 q.next = waiters, q); 38 else if (timed) { 39 nanos = deadline - System.nanoTime(); 40 if (nanos <= 0L) { 41 //已经超时的话,移除等待节点 42 removeWaiter(q); 43 return state; 44 } 45 // 未超时,将当前线程挂起指定时间 46 LockSupport.parkNanos(this, nanos); 47 } 48 else 49 // timed=false时会走到这里,挂起当前线程 50 LockSupport.park(this); 51 } 52 }
注释里也很清楚的写明了每一步的作用，我们以设置超时时间为例，总结一下过程
- 计算deadline，也就是到某个时间点后如果还没有返回结果，那么就超时了。
- 进入自旋，也就是死循环。
- 首先判断是否响应线程中断。对于线程中断的响应往往会放在线程进入阻塞之前，这里也印证了这一点。
- 判断state值，如果>COMPLETING表明任务已经取消或者已经执行完毕，就可以直接返回了。
- 如果任务还在执行，则为当前线程初始化一个等待节点WaitNode，入等待队列。这里和AQS的等待队列类似，只不过Node只关联线程，而没有状态。AQS里面的等待节点是有状态的。
- 计算nanos，判断是否已经超时。如果已经超时，则移除所有等待节点，直接返回state。超时的话，state的值仍然还是COMPLETING。
- 如果还未超时，就通过LockSupprot类提供的方法在指定时间内挂起当前线程，等待任务线程唤醒或者超时唤醒。
当线程被挂起之后，如果任务线程执行完毕，就会唤醒等待线程哦。这一步就是在finishCompletion里面做的，前面已经提到这个方法。我们再看看这个方法具体做了哪些事吧~
1 /** 2 * 移除并唤醒所有等待线程,执行done,置空callable 3 * nulls out callable. 4 */ 5 private void finishCompletion() { 6 //遍历等待节点 7 for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) { 8 if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) { 9 for (;;) { 10 Thread t = q.thread; 11 if (t != null) { 12 q.thread = null; 13 //唤醒等待线程 14 LockSupport.unpark(t); 15 } 16 WaitNode next = q.next; 17 if (next == null) 18 break; 19 // unlink to help gc 20 q.next = null; 21 q = next; 22 } 23 break; 24 } 25 } 26 //模板方法,可以被覆盖 27 done(); 28 //清空callable 29 callable = null; 30 }
由代码和注释可以看出来，这个方法的作用主要在于唤醒等待线程。由前文可知，当任务正常结束或者异常时，都会调用finishCompletion去唤醒等待线程。这个时候，等待线程就可以醒来，开开心心的获得结果啦。
最后我们看一下任务取消
3 public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)
注意，取消操作不一定会起作用，这里我们先贴个demo
1 public class FutureDemo {
2 public static void main(String[] args) {
3 ThreadPoolExecutor executorService = (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(1);
4 // 预创建线程
5 executorService.prestartCoreThread();
6
7 Future future = executorService.submit(new Callable<Object>() {
8 @Override
9 public Object call() {
10 System.out.println("start to run callable");
11 Long start = System.currentTimeMillis();
12 while (true) {
13 Long current = System.currentTimeMillis();
14 if ((current - start) > 1000) {
15 System.out.println("当前任务执行已经超过1s");
16 return 1;
17 }
18 }
19 }
20 });
21
22 System.out.println(future.cancel(false));
23
24 try {
25 Thread.currentThread().sleep(3000);
26 executorService.shutdown();
27 } catch (Exception e) {
28 //NO OP
29 }
30 }
31 }
我们多次测试后发现，出现了2种打印结果，如图
结果1
结果2
第一种是任务压根没取消，第二种则是任务压根没提交成功。
方法签名注释告诉我们，取消操作是可能会失败的，如果当前任务已经结束或者已经取消，则当前取消操作会失败。如果任务尚未开始，那么任务不会被执行。这就解释了出现上图结果2的情况。我们还是从源码去分析cancel()究竟做了哪些事。
1 public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) { 2 if (state != NEW) 3 return false; 4 if (mayInterruptIfRunning) { 5 if (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, INTERRUPTING)) 6 return false; 7 Thread t = runner; 8 if (t != null) 9 t.interrupt(); 10 UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED); // final state 11 } 12 else if (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, CANCELLED)) 13 return false; 14 finishCompletion(); 15 return true; 16 }
执行逻辑如下
- state不为NEW时，任务即将进入终态，直接返回false表明取消操作失败。
- state状态为NEW，任务可能已经开始执行，也可能还未开始。
- mayInterruptIfRunning表明是否中断线程。若是，则尝试将state设置为INTERRUPTING，并且中断线程，之后将state设置为终态INTERRUPTED。
- 如果mayInterruptIfRunning=false，则不中断线程，把state设置为CANCELLED
- 移除等待线程并唤醒。
- 返回true
可见，cancel()方法改变了futureTask的状态位，如果传入的是false并且业务逻辑已经开始执行，当前任务是不会被终止的，而是会继续执行，直到异常或者执行完毕。如果传入的是true，会调用当前线程的interrupt()方法，把中断标志位设为true。
事实上，除非线程自己停止自己的任务，或者退出JVM，是没有其他方法完全终止一个线程的任务的。mayInterruptIfRunning=true，通过希望当前线程可以响应中断的方式来结束任务。当任务被取消后，会被封装为CancellationException抛出。
总结
总结一下，futureTask中的任务状态由变量state表示，任务状态都基于state判断。而futureTask的阻塞则是通过自旋+挂起线程实现。理解FutureTask的内部实现机制，我们使用Future时才能更加得心应手。文中掺杂着笔者的个人理解，如果有不正之处，还望读者多多指正
