基于接口回调详解JUC中Callable和FutureTask实现原理

Callable接口和FutureTask实现类，是JUC(Java Util Concurrent)包中很重要的两个技术实现，它们使获取多线程运行结果成为可能。它们底层的实现，就是基于接口回调技术。接口回调，许多程序员都耳熟能详，这种技术被广泛应用于异步模块的开发中。它的实现原理并不复杂，但是对初学者来说却并不友好，其中的一个原因是它的使用场景和处理手段，对习惯了单线程开发的初学者来说有点绕。而各种文章或书籍，在解释这一个问题的时候，往往忽视了使用场景，而举一些小明坐车、A和B等等的例子，初学者看完之后往往更迷糊。

本文立足于此，就从多线程中线程结果获取这一需求场景出发，逐步说明接口回调及其在JUC中的应用。

需要了解Java多线程的底层运行机制，可以看这一篇：基于JVM原理、JMM模型和CPU缓存模型深入理解Java并发编程

线程结果获取

习惯了单线程开发的程序员，在异步编程中最难理解的一点，就是如何从线程运行结果返回信息，因为run和start方法本身是没有返回值的。一个基本的方法是，使用一个变量暂存运行结果，另外提供一个公共方法来返回这个变量。实现代码如下：

/*
 * 设计可以返回运行结果的线程
 * 定义一个线程读取文件内容, 使用字符串存取结果并返回主线程
 */
public class ReturnDigestTest extends Thread{
    //定义文件名
    private String fileName;
    //定义一个字符串对象result, 用于存取线程执行结果
    private String result;
    
    public ReturnDigestTest(String fileName) {
        this.fileName = fileName;
    }
    //run方法中读取本目录下文件, 并存储至result
    @Override
    public void run() {
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName)){
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int hasRead = 0;
            while ((hasRead = fis.read(buffer)) > 0) {
                result = new String(buffer, 0, hasRead);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } 
    }
    //定义返回result结果的方法
    public String getResult() {
        return result;
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //测试, 在子线程中执行读取文件, 主线程返回
        ReturnDigestTest returnDigestTest = new ReturnDigestTest("test.txt");
        returnDigestTest.start();
        //以下结果返回null. 因为getResult方法执行的时候, 子线程可能还没结束
        System.out.println(returnDigestTest.getResult());
    }
}

运行结果会输出一个null，原因在于读取文件的线程需要执行时间，所以很可能到主线程调用getResult方法的时候，子线程还没结束，结果就为null了。

如果在上面代码第35行，增加TimeUnit.SECONDS.sleep(5); 使主线程休眠5秒钟，你会发现结果正确返回。

竞态条件

在多线程环境下的实际开发场景中，更为常见的情形是，业务线程需要不断循环获取多个线程运行的返回结果。如果按照上述思路开发，那可能的结果为null，也可能导致程序挂起。上述方法是否成功，取决于竞态条件(Race Condition)，包括线程数、CPU数量、CPU运算速度、磁盘读取速度、JVM线程调度算法。

轮询

作为对上述方法的一个优化，可以让主线程定期询问返回状态，直到结果非空在进行获取，这就是轮询的思路。沿用上面的例子，只需要把36行修改如下即可：

//使用轮询, 判断线程返回结果是否为null
        while (true) {
            if (returnDigestTest.getResult() != null) {
                System.out.println(returnDigestTest.getResult());
                break;
            }
        }

但是，这个方法仍然不具有普适性，在有些JVM，主线程会占用几乎所有运行时间，而导致子线程无法完成工作。

即便不考虑这个因素，这个方法仍然不理想，它使得CPU运行时间被额外占用了。就好像一个搭公交的小孩，每一站都在问：请问到站了吗？因此，比较理想的方法，是让子线程在它完成任务后，通知主线程，这就是回调方法。

接口回调的应用

在异步编程中，回调的意思是，一个线程在执行中或完毕后，通知另外一个线程，返回一些消息。而接口回调，则是充分利用了Java多态的特征，使用接口作为回调方法的引用。

使用接口回调技术来优化上面的问题，可以设计一个实现Runnable接口的类，一个回调方法的接口，以及一个回调方法接口的实现类（main方法所在类），具体实现如下

实现Runnable的类

/*
 * 使用接口回调, 实现线程执行结果的返回
 */
public class CallbackDigest implements Runnable{
    private String fileName;
    private String result;
    //定义回调方法接口的引用
    private CallbackUserInterface cui;
    public CallbackDigest(String fileName, CallbackUserInterface cui) {
        this.fileName = fileName;
        this.cui = cui;
    }
    @Override
    public void run() {
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName)){
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int hasRead = 0;
            while((hasRead = fis.read(buffer)) > 0) {
                result = new String(buffer, 0, hasRead);
            }
            //通过回调接口引用, 调用了receiveResult方法, 可以在主线程中返回结果.
            //此处利用了多态
            cui.receiveResult(result, fileName);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } 
    }
}

回调方法接口

public interface CallbackUserInterface {
    //只定义了回调方法, 传入一个待读取的文件名参数, 和返回结果
    public void receiveResult(String result, String fileName);
}

回调方法接口实现类

public class CallbackTest implements CallbackUserInterface {
    //实现回调方法
    @Override
    public void receiveResult(String result, String fileName) {
        System.out.println("文件" + fileName + "的内容是: \n" + result);
    }

    public static void main(String[] args) {
        //新建回调接口引用, 指向实现类的对象
        CallbackUserInterface test = new CallbackTest();
        new Thread(new CallbackDigest("test.txt", test)).start();
    }
}

接口回调的技术主要有4个关键点：

1. 发出信息的线程类：定义回调方法接口的引用，在构造方法中初始化。

2. 发出信息的线程类：使用回调方法接口的引用， 来调用回调方法。

3. 收取信息的线程类：实现回调接口，新建回调接口的引用，指向该类的对象。

4. 发出信息的线程类：新建线程类对象是，传入3中新建的实现类对象。

Callable和FutureTask的使用

Callable的底层实现类似于一个回调接口，而FutureTask类似于本例子中读取文件内容的线程实现类。因为FutureTask实现了Runnable接口，所以它的实现类是可以多线程的，而内部就是调用了Callable接口实现类的回调方法，从而实现线程结果的返回机制。demo代码如下：

public class TestCallable implements Callable<Integer>{
    //实现Callable并重写call方法作为线程执行体, 并设置返回值1
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("Thread is running...");
        Thread.sleep(3000);
        return 1;
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        //创建Callable实现类的对象
        TestCallable tc = new TestCallable();
        //创建FutureTask类的对象
        FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(tc);
        //把FutureTask实现类对象作为target,通过Thread类对象启动线程
        new Thread(task).start();    
        System.out.println("do something else...");
        //通过get方法获取返回值
        Integer integer = task.get();    
        System.out.println("The thread running result is :" + integer);    
    }
}