Java异步编程——深入源码分析FutureTask

Java的异步编程是一项非常常用的多线程技术。

之前通过源码详细分析了ThreadPoolExecutor《你真的懂ThreadPoolExecutor线程池技术吗？看了源码你会有全新的认识》。通过创建一个ThreadPoolExecutor，往里面丢任务就可以实现多线程异步执行了。

但之前的任务主要倾向于线程池，并没有讲到异步编程方面的内容。本文将通过介绍Executor+Future框架（FutureTask是实现的核心），来深入了解下Java的异步编程。

万事从示例开始，我们先通过示例Demo有一个直观的印象，再深入去了解概念与原理。

使用示例

Demo：

使用上比较简单，

运行结果：

任务1异步执行：0
任务2异步执行：0
任务2异步执行：1
...
任务2异步执行：45
同步代码
任务2异步执行：24
...
任务1异步执行：199
任务1:执行完成
...
任务2异步执行：199
任务2：执行完成

假若你多次执行这个程序，会发现结果大大的不一样，因为两个任务和同步代码是异步由多条线程执行的，打印的结果当然是随机的。

回顾这个Demo做了什么，

1. 构建了一个线程池
2. 往线程池里面丢两个需要执行的任务
3. 最后获取这两个任务的结果

其中第二点是异步执行两个任务，这两个任务和主线程分别是用了三个线程并发执行的，第三点是在主线程中同步等待两个任务的结果。

很容易看出来，异步编程的好处就在于可以让不相干的任务异步执行，不阻塞主线程。若是主线程需要异步执行的结果，此时再去等待结果会更加高效，提高程序的执行效率。

下面来看看整个流程的实现原理。

源码分析

一般在实际项目中，都会有配置有自己的线程池，建议大家在用异步编程时，配置一个专用的线程池，做好线程隔离，避免异步线程影响到其他模块的工作。Demo中为了方便，直接调用Exectors的方法生成一个临时的线程池，日常不建议使用。

我们从这个ExecutorService.submit()方法入手，看看整体实现。

ExecutorService.submit()定义一个接口。这个接口接收一个Callable参数（执行的任务），返回一个Future（计算结果）。

Callable，相当于一个需要执行的任务。它不接收任何参数，可以返回结果，可以抛出异常。相类似的还有Runnable，它也是不接收，不同点在于它不返回结果，也不抛异常，异常需要在任务内部处理。总结来说Callable更像一个方法的调用，Runnable则是一个不需要理会结果的调用。在JDK 8以后，它们都可以通过Lamda表达式写法去替代内部类的写法（详见Demo）。

Future，一个异步计算的结果。调用get()方法可以得到对应的计算结果，如果调用时没有异步计算完，会阻塞等待计算的结果。同时它还提供方法可以尝试取消任务的执行。

看回ExecutorService.submit()的实现，代码在实现类AbstractExecutorService中。

除了它接口的实现，还提供了两种变形。原来接口只接收Callable参数，实现类中还新增了接收Runnable参数的。

如果看过之前写的《你真的懂ThreadPoolExecutor线程池技术吗？看了源码你会有全新的认识》，应该了解ThreadPoolExecutor执行任务是可以调用execute()方法的。而这里面submit()方法则是为Callable/Runnable加多一层FutureTask，从而
使执行结果有一个存放的地方，同时也添加一个可以取消的功能。原本的execute()只能执行任务，不会返回结果的，具体实现原理可以看看之前的文章分析。

FutureTask是RunnableFuture的实现。而RunnableFuture是继承Future和Runnable接口的，定义run()接口。

因为FutureTask有run()接口，所以可以直接用一个Callable/Runnable创建一个FutureTask单独执行。但这样并没有异步的效果，因为没有启用新的线程去跑，而是在原来的线程阻塞执行的。

到这里我们清楚知道了，submit()方法重点是利用Callable/Runnable创建一个FutureTask，然后多线程执行run()方法，达到异步处理并且得到结果的效果。而FutureTask的重点则是run()方法如何持有保存计算的结果。

FutureTask.run()

首先判断futureTask对象的state状态，如果不是NEW的话，证明已经开始运行过了，则退出执行。同时futureTask对象通过CAS，把当前线程赋值给变量runner（是Thread类型，说明对象使用哪个线程执行的），如果CAS失败则退出。

外层try{}代码块中，对callable判空和state状态必须是NEW。内层try{}代码真正调用callable，开始执行任务。若执行成功，则把ran变量设为true，保存结果在result变量中，证明已跑成功过了；若抛异常了，则设为false，result为空，并且调用setException()保存异常。最后如果ran为true的话，则调用set()保存result结果。

看下setException()和set()的实现。

两者的基本流程一样，CAS置换状态，保存结果在outcome变量道中，但setException()保存的结果类型固定是Throwable。另外一个不同在于最终state状态，一个是EXCEPTION，一个是NORMAL。

这两个方法最后都调用了finishCompletion()。这个方法主要是配合线程池唤醒下一个任务。

FutureTask.get()

从上面run()方法得知，最后执行的结果放在了outcome变量中。那最终怎么从其中取出结果来，我们来看看get()方法。

从源码可知，get()方法分两步。第一步，先判断状态，如果计算为完成，则需要阻塞地等待完成。第二步，如果完成了，则调用report()方法获取结果并返回。

先看看awaitDone()阻塞等待完成。该方法可以选用超时功能。

在自旋的for()循环中，

• 先判断是否线程被中断，中断的话抛异常退出。
• 然后开始判断运行的state值，如果state大于COMPLETING，证明计算已经是终态了，此时返回终态变量。
• 若state等于COMPLETING，证明已经开始计算，并且还在计算中。此时为了避免过多的CPU时间放在这个for循环的自旋上，程序执行Thread.yield()，把线程从运行态降为就绪态，让出CPU时间。
• 若以上状态都不是，则证明state为NEW，还没开始执行。那么程序在当前循环现在会新增一个WaitNode，在下一个循环里面调用 LockSupport.park()把当前线程阻塞。当run()方法结束的时候，会再次唤醒此线程，避免自旋消耗CPU时间。
• 如果选用了超时功能，在阻塞和自旋过程中超时了，则会返回当前超时的状态。

第二步的report()方法比较简单。

• 如果状态是NORMAL，正常结束的话，则把outcome变量返回；
• 如果是取消或者中断状态的，则抛出取消异常；
• 如果是EXCEPTION，则把outcome当作异常抛出（之前setException()保存的类型就是Throwable）。从而整个get()会有一个异常抛出。

总结

至此我们已经比较完整地了解Executor+Future的框架原理了，而FutureTask则是该框架的主要实现。下面总结下要点

1. Executor.sumbit()方法异步执行一个任务，并且返回一个Future结果。
2. submit()的原理是利用Callable创建一个FutureTask对象，然后执行对象的run()方法，把结果保存在outcome中。
3. 调用get()获取outcome时，如果任务未完成，会阻塞线程，等待执行完毕。
4. 异常和正常结果都放在outcome中，调用get()获取结果或抛出异常。

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