Java异步编程——深入源码分析FutureTask

「爱情、让人受尽委屈。」 2022-03-01 07:50 258阅读 0赞

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》][ThreadPoolExecutor]。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：  
![2962127490-5bbc2457bd5ae_articlex][]  
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。

![3308963066-5bbc24540e180_articlex][]  
`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。  
![574712374-5bbc2452d046c_articlex][]  
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》][ThreadPoolExecutor]，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`RunnableFutre`的实现。而`RunableFuture`是继承`Future`和`Runnable`接口的，定义`run()`接口。  
![2234549300-5bbc244db8f95_articlex][]  
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() ##

![1316963176-5bbc24507e06c_articlex][]  
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。  
![1498949034-5bbc245595245_articlex][]  
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。  
![1408683152-5bbc2449c9ab5_articlex][]  
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。  
![760667190-5bbc2453da378_articlex][]  
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。  
![2900238709-5bbc2449dfc63_articlex][]

*  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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[ThreadPoolExecutor]: http://zackku.com/java-thread-threadpoolexecutor/
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