并发编程——-FutureTask-源码分析

1. 前言

当我们在 Java 中使用异步编程的时候,大部分时候,我们都会使用 Future,并且使用线程池的 submit 方法提交一个 Callable 对象。然后调用 Future 的 get 方法等待返回值。而 FutureTask 是 Future 的一个实现,也是我们今天的主角。

我们就从源码层面分析 FutureTask.

2. FutureTask 初体验

我们一般接触的都是 Future ,而不是 FutureTask , Future 是一个接口, FutureTask 是一个标准的实现。在我们向线程池提交任务的时候,线程池会创建一个 FutureTask 返回。

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
execute(ftask);
return ftask;
}

newTaskFor 方法就是创建一个了一个 FutureTask 返回。

protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
return new FutureTask<T>(callable);
}
public FutureTask(Callable<V> callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
this.callable = callable;
this.state = NEW; // ensure visibility of callable
}

而线程池就会执行 FutureTask 的 run 方法。

那么,我们看看 FutureTask 的 UML。

image.png

可以看出,FutureTask 实现了 Runnable,Future 。Runnable 就不必说了,一个 run 方法,那 Future 呢?

boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
boolean isCancelled();
boolean isDone();
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
```

主要是这 5 个方法撑起了 Future,功能相对而言比较薄弱,毕竟这只是一个 Future ,而不是 Promise。

FutureTask 还有一个内部类,WaitNode ,结构如下:

```java
static final class WaitNode {
volatile Thread thread;
volatile WaitNode next;
WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}

看起来是不是和 AQS 的节点似曾相识呢?

FutureTask 内部维护了一个栈结构,和 AQS 的队列有所区别。

实际上,在之前的版本中,FutureTask 确实直接使用的 AQS ,但是 Doug lea 又对该类进行了优化,优化的目的是 :

主要是为了避免有些用户在取消竞争期间保留中断状态。

而内部依然使用了一个 volatile 的 state 变量来控制状态,同时使用了一个栈结构来保存等待的线程。

至于原因,当然是 FutureTask 的 get 方法是支持并发的,多个线程可以获取到同一个 FutureTask 的同一个结果,而这些线程在 get 的阻塞过程中必然是要挂起自己等待的。

知道了 FutureTask 的结构。我们知道,线程池肯定会执行 FutureTask 的 run 方法,所以,我们到他的 run 方法看看。

同时,我们也要看看关键方法 —— get 方法。

3. FutureTask 的 get 方法

代码如下:

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}

首先判断状态,然后挂起自己等待,最后,返回结果,代码很简单。

注意:FutureTask 中有 7 种状态:

private volatile int state;
private static final int NEW = 0;
private static final int COMPLETING = 1;
private static final int NORMAL = 2;
private static final int EXCEPTIONAL = 3;
private static final int CANCELLED = 4;
private static final int INTERRUPTING = 5;
private static final int INTERRUPTED = 6;

构造时,状态就是 NEW,当任务完成中,状态变成 COMPLETING。当任务彻底完成,状态变成 NORMAL。

我们重点看看 awaitDone 和 report 方法。

awaitDone 方法代码:

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException {
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
WaitNode q = null;
boolean queued = false;
for (;;) {
if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}

int s = state;
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
else if (q == null)
q = new WaitNode();
else if (!queued)
queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q.next = waiters, q);
else if (timed) {
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
removeWaiter(q);
return state;
}
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
else
LockSupport.park(this);
}
}

上面的方法相对于 JUC 其他的类,还是比较简单的。需要注意一个点:get 方法是可以并发访问的,当并发访问的时候,需要将这些线程保存在 FutureTask 内部的栈中。

简单说说方法步骤:

  1. 如果线程中断了,删除节点,并抛出异常。
  2. 如果字体大于 COMPLETING ,说明任务完成了,返回结果。
  3. 如果等于 COMPLETING,说明任务快要完成了,自旋一会。
  4. 如果 q 是 null,说明这是第一次进入,创建一个新的节点。保存当前线程引用。
  5. 如果还没有修改过 waiters 变量,就使用 CAS 修改当前 waiters 为当前节点,这里是一个栈的结构。
  6. 根据时间策略挂起当前线程。
  7. 当线程醒来后,继续上面的判断,正常情况下,返回数据。

再看看 report 方法:

private V report(int s) throws ExecutionException {
Object x = outcome;
if (s == NORMAL)
return (V)x;
if (s >= CANCELLED)
throw new CancellationException();
throw new ExecutionException((Throwable)x);
}

也还是很简单的,拿到结果,判断状态,如果状态正常,就返回值,如果不正常,就抛出异常。

总结一下 get 方法:

FutureTask 通过挂起自己等待异步线程唤醒,然后拿去异步线程设置好的数据。

4. FutureTask 的 run 方法

上面总结说,FutureTask 通过挂起自己等待异步线程唤醒,然后拿去异步线程设置好的数据。

那么这个过程在哪里呢?答案就是在 run 方法里。我们知道,线程池在执行 FutureTask 的时候,肯定会执行他的 run 方法。所以,我们看看他的 run 方法:

public void run() {
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return;
try {
Callable<V> c = callable;
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
setException(ex);
}
if (ran)
set(result);
}
} finally {
runner = null;
int s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
}

方法逻辑如下:

  1. 判断状态。
  2. 执行 callable 的 call 方法。
  3. 设置结果并唤醒等待的所有线程。

看看 set 方法是如何设置结果的:

protected void set(V v) {
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
outcome = v;
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
finishCompletion();
}
}

先将状态变成 COMPLETING,然后设置结果,再然后设置状态为 NORMAL,最后执行 finishCompletion 方法唤醒等待线程。

finishCompletion 代码如下:

private void finishCompletion() {
// assert state > COMPLETING;
for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
for (;;) {
Thread t = q.thread;
if (t != null) {
q.thread = null;
LockSupport.unpark(t);
}
WaitNode next = q.next;
if (next == null)
break;
q.next = null; // unlink to help gc
q = next;
}
break;
}
}

done();

callable = null; // to reduce footprint
}

该方法先将 waiters 修改成 null,然后遍历栈中所有节点,也就是所有等待的线程,依次唤醒他们。

最后执行 done 方法。这个方法是留个子类扩展的。FutureTask 中是个空方法。比如 Spring 的 ListenableFutureTask 就扩展了该方法。还有 JUC 里的 QueueingFuture 类也扩展了该方法。

如果异常了就将状态改为 EXCEPTIONAL。

如果用户执行了 cancel(true)方法。该方法 Java doc 如下:

试图取消对此任务的执行。如果任务已完成、或已取消,或者由于某些其他原因而无法取消,则此尝试将失败。当调用 cancel 时,如果调用成功,而此任务尚未启动,则此任务将永不运行。如果任务已经启动,则 mayInterruptIfRunning 参数确定是否应该以试图停止任务的方式来中断执行此任务的线程。

也就是说,这个 mayInterruptIfRunning 决定当任务已经在执行了,还要终止这个任务。如果 mayInterruptIfRunning 是 true ,就会先将状态改成 INTERRUPTING,然后调用线程的 interrupt 方法,最后,设置状态为 INTERRUPTED。

在 run 方法的 finally 块中,对 INTERRUPTING 有判断,也就是说,在 INTERRUPTING 和 INTERRUPTED 的这段时间,会执行 finally 块,那么这个时候,就需要自旋等待状态变成 INTERRUPTED。

具体代码如下:

private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) {
if (s == INTERRUPTING)
while (state == INTERRUPTING)
Thread.yield(); // wait out pending interrupt
}

5. 总结

关于 FutureTask 就介绍完了,该类最重要的就是 get 方法和 run 方法,run 方法负责执行 callable 的 call 方法并设置返回值到一个变量中, get 方法负责阻塞直到 run 方法执行完毕任务唤醒他,然后 get 方法回去结果。

同时,FutureTask 为了多线程可以并发调用 get 方法,使用了一个栈结构保存所有等待的线程。也就是说,所有的线程都等得到 get 方法的结果。

虽然 FutureTask 的设计很好,但我仍然觉得使用异步是更好的选择,效率更高。