java多线程学习 基础篇(四) Callable、Future和FutureTask浅析

通过之前的学习，我们知道创建线程的方式有两种，一种是实现Runnable接口，另一种是继承Thread，但是这两种方式都有个缺点，那就是在任务执行完成之后无法获取返回结果，那如果我们想要获取返回结果该如何实现呢？

从JAVA SE 5.0开始引入了Callable和Future，通过它们构建的线程，在任务执行完成后就可以获取执行结果，这也是所谓的“异步”模型。

 

1、Callable<V>接口

我们先回顾一下java.lang.Runnable接口，就声明了run(),其返回值为void，当然就无法获取结果了。

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

而Callable的接口定义如下

@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;
}

可以看到Callable是一个函数式接口。同时Callable是有返回值的，并且支持泛型。

 

论是Runnable接口的实现类还是Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行， ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor都实现了 ExcutorService接口， 而因此 Callable需要和Executor框架中的ExcutorService结合使用，我们先看看ExecutorService提供的方法：

  

<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);

第一个方法：submit提交一个实现Callable接口的任务，并且返回封装了异步计算结果的Future。

第二个方法：submit提交一个实现Runnable接口的任务，并且指定了在调用Future的get方法时返回的result对象。

第三个方法：submit提交一个实现Runnable接口的任务，并且返回封装了异步计算结果的Future。

因此我们只要创建好我们的线程对象（实现Callable接口或者Runnable接口），然后通过上面3个方法提交给线程池去执行即可。

还有点要注意的是，除了我们自己实现Callable对象外，我们还可以使用工厂类Executors来把一个Runnable对象包装成Callable对象。Executors工厂类提供的方法如下：

public static Callable<Object> callable(Runnable task)
public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result)

 

2、Future<V>接口

Future<V>接口是用来获取异步计算结果的，说白了就是对具体的Runnable或者Callable对象任务执行的结果进行获取(get()),取消(cancel()),判断是否完成等操作。我们看看Future接口的源码：

public interface Future<V> {

    /**
     * Attempts to cancel execution of this task.  This attempt will
     * fail if the task has already completed, has already been cancelled,
     * or could not be cancelled for some other reason. If successful,
     * and this task has not started when {@code cancel} is called,
     * this task should never run.  If the task has already started,
     * then the {@code mayInterruptIfRunning} parameter determines
     * whether the thread executing this task should be interrupted in
     * an attempt to stop the task.
     *
     * <p>After this method returns, subsequent calls to {@link #isDone} will
     * always return {@code true}.  Subsequent calls to {@link #isCancelled}
     * will always return {@code true} if this method returned {@code true}.
     *
     * @param mayInterruptIfRunning {@code true} if the thread executing this
     * task should be interrupted; otherwise, in-progress tasks are allowed
     * to complete
     * @return {@code false} if the task could not be cancelled,
     * typically because it has already completed normally;
     * {@code true} otherwise
     */
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    /**
     * Returns {@code true} if this task was cancelled before it completed
     * normally.
     *
     * @return {@code true} if this task was cancelled before it completed
     */
    boolean isCancelled();

    /**
     * Returns {@code true} if this task completed.
     *
     * Completion may be due to normal termination, an exception, or
     * cancellation -- in all of these cases, this method will return
     * {@code true}.
     *
     * @return {@code true} if this task completed
     */
    boolean isDone();

    /**
     * Waits if necessary for the computation to complete, and then
     * retrieves its result.
     *
     * @return the computed result
     * @throws CancellationException if the computation was cancelled
     * @throws ExecutionException if the computation threw an
     * exception
     * @throws InterruptedException if the current thread was interrupted
     * while waiting
     */
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    /**
     * Waits if necessary for at most the given time for the computation
     * to complete, and then retrieves its result, if available.
     *
     * @param timeout the maximum time to wait
     * @param unit the time unit of the timeout argument
     * @return the computed result
     * @throws CancellationException if the computation was cancelled
     * @throws ExecutionException if the computation threw an
     * exception
     * @throws InterruptedException if the current thread was interrupted
     * while waiting
     * @throws TimeoutException if the wait timed out
     */
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

 

方法解析：

V get() ：

　　获取异步执行的结果，如果没有结果可用，此方法会阻塞直到异步计算完成。

V get(Long timeout , TimeUnit unit) ：

　　获取异步执行结果，如果没有结果可用，此方法会阻塞，但是会有时间限制，如果阻塞时间超过设定的timeout时间，该方法将抛出异常。

boolean isDone() ：

　　如果任务执行结束，无论是正常结束或是中途取消还是发生异常，都返回true。

boolean isCanceller() ：

　　如果任务完成前被取消，则返回true。

boolean cancel(boolean mayInterruptRunning) ：

　　如果任务还没开始，执行cancel(...)方法将返回false；如果任务已经启动，执行cancel(true)方法将以中断执行此任务线程的方式来试图停止任务，如果停止成功，返回true；当任务已经启动，执行cancel(false)方法将不会对正在执行的任务线程产生影响(让线程正常执行到完成)，此时返回false；当任务已经完成，执行cancel(...)方法将返回false。mayInterruptRunning参数表示是否中断执行中的线程。

 

通过方法分析我们也知道实际上Future提供了3种功能：

（1）能够中断执行中的任务

（2）判断任务是否执行完成

（3）获取任务执行完成后额结果。

但是我们必须明白Future只是一个接口，我们无法直接创建对象，因此就需要其实现类FutureTask登场啦。

 

 

3、FutureTask类

我们先来看看FutureTask的实现

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

FutureTask类实现了RunnableFuture接口，我们看一下RunnableFuture接口的实现：

/**
 * A {@link Future} that is {@link Runnable}. Successful execution of
 * the {@code run} method causes completion of the {@code Future}
 * and allows access to its results.
 * @see FutureTask
 * @see Executor
 * @since 1.6
 * @author Doug Lea
 * @param <V> The result type returned by this Future's {@code get} method
 */
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    /**
     * Sets this Future to the result of its computation
     * unless it has been cancelled.
     */
    void run();
}

分析：

FutureTask除了实现了Future接口外还实现了Runnable接口，因此FutureTask也可以直接提交给Executor执行。 当然也可以调用线程直接执行（FutureTask.run()）。接下来我们根据FutureTask.run()的执行时机来分析其所处的3种状态：

（1）未启动，FutureTask.run()方法还没有被执行之前，FutureTask处于未启动状态，当创建一个FutureTask，而且没有执行FutureTask.run()方法前，这个FutureTask也处于未启动状态。

（2）已启动，FutureTask.run()被执行的过程中，FutureTask处于已启动状态。

（3）已完成，FutureTask.run()方法执行完正常结束，或者被取消或者抛出异常而结束，FutureTask都处于完成状态。

 

下面我们再来看看FutureTask的方法执行示意图

 

分析：

（1）当FutureTask处于未启动或已启动状态时，如果此时我们执行FutureTask.get()方法将导致调用线程阻塞；

（2）当FutureTask处于已完成状态时，执行FutureTask.get()方法将导致调用线程立即返回结果或者抛出异常。

（3）当FutureTask处于未启动状态时，执行FutureTask.cancel()方法将导致此任务永远不会执行。

（4）当FutureTask处于已启动状态时，执行cancel(true)方法将以中断执行此任务线程的方式来试图停止任务，如果任务取消成功，cancel(...)返回true；

　　　　但如果执行cancel(false)方法将不会对正在执行的任务线程产生影响(让线程正常执行到完成)，此时cancel(...)返回false。

（5）当任务已经完成，执行cancel(...)方法将返回false。

 

最后，给出FutureTask的两种构造函数：

public FutureTask(Callable<V> callable) {
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
}

 

 

4、Callable<V>/Future<V>/FutureTask的使用

通过上面的介绍，我们对Callable，Future，FutureTask都有了比较清晰的了解了，那么它们到底有什么用呢？我们前面说过通过这样的方式去创建线程的话，最大的好处就是能够返回结果。

假设有这样的场景，我们现在需要计算一个数据，而这个数据的计算比较耗时，而我们后面的程序也要用到这个数据结果，那么这个时 Callable岂不是最好的选择？我们可以开设一个线程去执行计算，而主线程继续做其他事，而后面需要使用到这个数据时，我们再使用Future获取不就可以了吗？下面我们就来编写一个这样的实例

4.1 使用Callable+Future获取执行结果

Task实现类如下：

public class CallableDemo implements Callable<Integer> {
    private int sum = 0;

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("Callable子线程开始计算啦！");
        Thread.sleep(2000);

        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            sum = sum + i;
        }
        System.out.println("Callable子线程计算结束！");
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CallableTest callableTest = new CallableTest();
        callableTest.test01();
    }
}

测试类如下：

class CallableTest{
    void test01(){
        //创建线程池
        ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();
        //创建Callable对象任务
        CallableDemo calCallableDemo =new CallableDemo();
        //提交任务并获取执行结果
        Future<Integer> future =es.submit(calCallableDemo);
        //关闭线程池
        es.shutdown();
        try {
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("主线程在执行其他任务");

            if(future.get()!=null){
                //输出获取到的结果
                System.out.println("future.get()-->"+future.get());
            }else{
                //输出获取到的结果
                System.out.println("future.get()未获取到结果");
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("主线程执行完成");
    }
}

测试结果如下：

>>>
Callable子线程开始计算啦！
主线程在执行其他任务
Callable子线程计算结束！
future.get()-->12497500
主线程执行完成

 

4.2  使用Callable+FutureTask获取执行结果

Task实现类同上面，测试类如下:

class CallableTest{
    void test02(){
        //创建线程池
        ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();
        //创建Callable对象任务
        CallableDemo calCallableDemo =new CallableDemo();
        //创建FutureTask
        FutureTask<Integer> futureTask=new FutureTask<>(calCallableDemo);
        //执行任务
        es.submit(futureTask);
        //关闭线程池
        es.shutdown();
        try {
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("主线程在执行其他任务");

            if(futureTask.get()!=null){
                //输出获取到的结果
                System.out.println("futureTask.get()-->"+futureTask.get());
            }else{
                //输出获取到的结果
                System.out.println("futureTask.get()未获取到结果");
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("主线程执行完成");
    }
}

测试结果如下：

>>>
Callable子线程开始计算啦！
主线程在执行其他任务
Callable子线程计算结束！
futureTask.get()-->12497500
主线程执行完成