上一篇我们基于JDK的源码对线程池ThreadPoolExecutor的实现做了分析，本篇来对Executor框架中另一种典型用法Future方式做源码解读。我们知道Future方式实现了带有返回值的程序的异步调用，关于异步调用的场景大家可以自行脑补Ajax的应用（获取返回结果的方式不同，Future是主动询问获取，Ajax是回调函数），这里不做过多说明。
在进入源码前，首先来看下Future方式相关的API：
- 接口Callable：有返回结果并且可能抛出异常的任务；
- 接口Future：表示异步执行的结果；
- 类FutureTask：实现Future、Runnable等接口，是一个异步执行的任务。可以直接执行，或包装成Callable执行；
- 接口CompletionService：将生产新的异步任务与使用已完成任务的结果分离开来的服务，用来执行Callable或Runnable，并异步获取执行结果；
- 类ExecutorCompletionService：实现CompletionService接口，使用构造时传入的Executor来执行Callable或Runnable，
接下来通过一个常规的使用实例来展示这些API之间的关系：
1 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); 2 CompletionService<String> completionService = new ExecutorCompletionService<String>(executor); 3 Future<String> future = completionService.submit(new Callable<String>() { 4 5 public String call() throws Exception { 6 // do something... 7 return "success"; 8 } 9 }); 10 11 // 其它的程序逻辑。。。 12 13 // 异步的获取执行结果 14 String result = future.get();
常规调用主要是通过CompletionService.submit()方法，那我们就从这个方法开始进入JDK源码，以下是ExecutorCompletionService类的源码：
1 public Future<V> submit(Callable<V> task) { 2 if (task == null) throw new NullPointerException(); 3 RunnableFuture<V> f = newTaskFor(task); 4 executor.execute(new QueueingFuture(f)); 5 return f; 6 } 7 8 public Future<V> submit(Runnable task, V result) { 9 if (task == null) throw new NullPointerException(); 10 RunnableFuture<V> f = newTaskFor(task, result); 11 executor.execute(new QueueingFuture(f)); 12 return f; 13 }
sunmit()方法有两个重载，这里我们只对参数为Callable的方法解读，因为另一个也是间接的封装成了Callable最后调用的。
上述代码的第3行可以看到，Callable转换成了RunnableFuture来交给executor执行，下面来看newTaskFor(task)方法的源码：
1 private RunnableFuture<V> newTaskFor(Callable<V> task) { 2 if (aes == null) 3 return new FutureTask<V>(task); 4 else 5 return aes.newTaskFor(task); 6 }
代码第3行和第5行的结果是一样的，继续来看这个FutureTask如何构造的：
1 public FutureTask(Callable<V> callable) { 2 if (callable == null) 3 throw new NullPointerException(); 4 sync = new Sync(callable); 5 }
还是没什么用，然后我们详细的来看下Sync的源码：
1 /** 2 * Synchronization control for FutureTask. Note that this must be 3 * a non-static inner class in order to invoke the protected 4 * <tt>done</tt> method. For clarity, all inner class support 5 * methods are same as outer, prefixed with "inner". 6 * 7 * Uses AQS sync state to represent run status 8 */ 9 private final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { 10 11 /** The underlying callable */ 12 private final Callable<V> callable; 13 /** The result to return from get() */ 14 private V result; 15 /** The exception to throw from get() */ 16 private Throwable exception; 17 18 Sync(Callable<V> callable) { 19 this.callable = callable; 20 } 21 22 V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException { 23 acquireSharedInterruptibly(0); 24 if (getState() == CANCELLED) 25 throw new CancellationException(); 26 if (exception != null) 27 throw new ExecutionException(exception); 28 return result; 29 } 30 31 void innerSet(V v) { 32 for (;;) { 33 int s = getState(); 34 if (s == RAN) 35 return; 36 if (s == CANCELLED) { 37 // aggressively release to set runner to null, 38 // in case we are racing with a cancel request 39 // that will try to interrupt runner 40 releaseShared(0); 41 return; 42 } 43 if (compareAndSetState(s, RAN)) { 44 result = v; 45 releaseShared(0); 46 done(); 47 return; 48 } 49 } 50 } 51 52 void innerSetException(Throwable t) { 53 for (;;) { 54 int s = getState(); 55 if (s == RAN) 56 return; 57 if (s == CANCELLED) { 58 // aggressively release to set runner to null, 59 // in case we are racing with a cancel request 60 // that will try to interrupt runner 61 releaseShared(0); 62 return; 63 } 64 if (compareAndSetState(s, RAN)) { 65 exception = t; 66 result = null; 67 releaseShared(0); 68 done(); 69 return; 70 } 71 } 72 } 73 74 void innerRun() { 75 if (!compareAndSetState(0, RUNNING)) 76 return; 77 try { 78 runner = Thread.currentThread(); 79 if (getState() == RUNNING) // recheck after setting thread 80 innerSet(callable.call()); 81 else 82 releaseShared(0); // cancel 83 } catch (Throwable ex) { 84 innerSetException(ex); 85 } 86 } 87 88 // others codes 89 }
上述代码列出了几个重要的方法，可以大概的看出，Future方式的玄机，基本都在这个内部类里了。下面就对这个内部类中的几个方法少做解释：
首先，类的注释主要说明了：内部类必须是非静态的，是为了调用外部类的done()方法（这个我们以后再说）。还有内部类的方法都是以“前缀inner+外部类方法名”来命名的。
其次，通过查看外部类的源码可得知：外部类的所有方法都是通过内部类中同名的inner方法来调用的（源码很简单这里没有列出）。
然后，我们来看这个类中的其中3个成员变量及其注释，就可以大概猜到：callable是传入的执行过程，result用来存储callable的返回值，exception存储callable抛出的异常（如果有）。
最后，我们来分别看这个类中的几个关键方法：
上述代码第74行的innerRun()方法：注意外部类是FutureTask，实现了Runnable接口，事实上就是最开始所说的submit()方法中，最终要执行的Runnable任务，此时执行的其实是内部类的innerRun()，通过代码的第80行可以看出，是调用了callable.call()并把返回值通过innerSet(V v)赋值给了成员变量result。如果callable.call()有异常，则通过innerSetException(Throwable t)赋值给成员变量exception。
通过innserGet()方法差不多就知道了异步获取执行结果的原理了，第23行的acquireSharedInterruptibly(0)方法的意义在于：要等Runnable任务执行完或被中断才能执行后面的代码。（注：这块实现虽然被一笔带过，但其实逻辑还是有点复杂，其实现主要是用死循环检查执行Callable线程的状态，类似自旋锁的概念）
最后，在回过头来看CompletionService.submit()方法：
1 public Future<V> submit(Callable<V> task) { 2 if (task == null) throw new NullPointerException(); 3 RunnableFuture<V> f = newTaskFor(task); 4 executor.execute(new QueueingFuture(f)); 5 return f; 6 }
代码的第4行并非执行的是我们上面说的FutureTask，而是将这个FutureTask由封装成了QueueingFuture才交给executor执行，当我们看了QueueingFuture的源码就会了解到
1 /** 2 * FutureTask extension to enqueue upon completion 3 */ 4 private class QueueingFuture extends FutureTask<Void> { 5 QueueingFuture(RunnableFuture<V> task) { 6 super(task, null); 7 this.task = task; 8 } 9 protected void done() { completionQueue.add(task); } 10 private final Future<V> task; 11 }
这个封装的意义无非是想在callable.call()执行完后调用第9行的completionQueue.add(task)，done()方法是不是很眼熟？
注释其实已经说明了：是为了让完成的任务入列到completionQueue中，以实现本文最开始罗列出来的，CompletionService接口的“将新的异步任务与完成的任务分离开来”的特性。
总结
本文通过ExecutorCompletionService类与FutureTask类及其内部类中部分关键处源码的解读，介绍了Java5中Future方式的原理。其实可以概括为一句话：
- 在某线程中执行Callable时，将执行结果或抛出的异常存放在临时变量中，其它线程在Callable执行完或中断前，阻塞的获取执行结果。
关于Executor框架的源码就解读到这，下篇文章开始一些工具类的源码解析。
