并发编程-FutureTask解析 | 京东物流技术团队

1、FutureTask对象介绍

Future对象大家都不陌生，是JDK1.5提供的接口，是用来以阻塞的方式获取线程异步执行完的结果。

在Java中想要通过线程执行一个任务，离不开Runnable与Callable这两个接口。

Runnable与Callable的区别在于，Runnable接口只有一个run方法，该方法用来执行逻辑，但是并没有返回值；而Callable的call方法，同样用来执行业务逻辑，但是是有一个返回值的。

Callable执行任务过程中可以通过FutureTask获得任务的执行状态，并且可以在执行完成后通过Future.get()方式获取执行结果。

Future是一个接口，而FutureTask就是Future的实现类。并且FutureTask实现了 RunnableFuture（Runnable + Future），说明我们可以创建一个FutureTask并直接把它放到线程池执行，然后获取FutureTask的执行结果。

2、FutureTask源码解析

2.1 主要方法和属性

那么FutureTask是如何通过阻塞的方式来获取到异步线程执行的结果的呢？我们看下FutureTask中的属性。

// FutureTask的状态及其常量
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;
    
    // callable对象，执行完后置空
    private Callable<V> callable;
    // 要返回的结果或要引发的异常来自 get() 方法
    private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes
    // 执行Callable的线程
    private volatile Thread runner;
    // 等待线程的一个链表结构
    private volatile WaitNode waiters;

FutureTask中几个比较重要的方法。

// 取消任务的执行
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
// 返回任务是否已经被取消
boolean isCancelled();
// 返回任务是否已经完成，任务状态不为NEW即为完成
boolean isDone();
// 通过get方法获取任务的执行结果
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
// 通过get方法获取任务的执行结果，带有超时，如果超过给定时间则抛出异常
V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

2.2 FutureTask执行

当我们在线程池中执行一个Callable方法时，其实是将Callable任务封装成一个RunnableFuture对象去执行，同时将这个RunnableFuture对象返回，这样我们就拿到了FutureTask的引用，可以随时获取到任务执行的状态，并且可以在任务执行完成后通过该对象获取执行结果。

以下为ThreadPoolExecutor线程池提交一个callable方法的源码。

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

2.3 run方法介绍

RunnableFuture其实也是一个可以执行的runnable，我们看下他的run方法。其主要流程就是执行call方法，正常执行完毕后将result结果赋值到outcome属性上。

public void run() {
        if (state != NEW ||
            !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                         null, Thread.currentThread()))
            return;
        try {
            // 将callable赋值到本地变量
            Callable<V> c = callable;
            // 判断callable不为空并且FutureTask的状态必须为新创建
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
                try {
                    // 执行call方法（用户自己实现的call逻辑），并获取到result结果
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    // 如果执行过程出现异常，则将异常对象赋值到outcome上
                    setException(ex);
                }
                // 如果正常执行完毕，则将result赋值到outcome属性上
                if (ran)
                    set(result);
            }
        } finally {
            // runner must be non-null until state is settled to
            // prevent concurrent calls to run()
            runner = null;
            // state must be re-read after nulling runner to prevent
            // leaked interrupts
            int s = state;
            if (s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
    }

以下逻辑为正常执行完成后赋值的逻辑。

// 如果任务没有被取消，将future执行完的返回值赋值给result结果
// FutureTask任务的执行状态是通过CAS的方式进行赋值的，并且由此可知，COMPLETING其实是一个瞬时状态
// 当将线程执行结果赋值给outcome后，状态会修改为对应的NORMAL，即正常结束
protected void set(V v) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = v;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

以下为执行异常时赋值逻辑，直接将Throwable对象赋值到outcome属性上。

protected void setException(Throwable t) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = t;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

无论是正常执行还是异常执行，最终都会调用一个finishCompletion方法，用来做工作的收尾工作。

2.4 get方法介绍

Future的get方法有两个重载的方法，一个是get()获取结果，一个是get(long, TimeUnit)带有超时时间的获取结果，我们看下FutureTask中的这两个方法是如何实现的。

// 不带有超时时间，一直阻塞直到获取结果
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
            // 等待结果完成，带有超时的get方法也是调用的awaitDone方法
            s = awaitDone(false, 0L);
        // 返回结果
        return report(s);
    }

// 带有超时时间的获取结果，如果超过时间还没有获取到结果则抛出异常
public V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
        if (unit == null)
            throw new NullPointerException();
        int s = state;
        // 如果任务未中断，调用awaitDone方法等待任务结果
        if (s <= COMPLETING &&
            (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
            throw new TimeoutException();
        // 返回结果
        return report(s);
    }

我们主要看下awaitDone方法的执行逻辑。此方法会通过for循环的方式一直阻塞等待任务执行完成。如果带有超时时间，则超过截止时间后会直接返回。

// timed：是否需要超时获取
// nanos：超时时间单位纳秒
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
        final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
        WaitNode q = null;
        boolean queued = false;
        // 此方法会一直for循环判断任务状态是否已经完成，是Future.get阻塞的原因
        for (;;) {
            if (Thread.interrupted()) {
                removeWaiter(q);
                throw new InterruptedException();
            }

            int s = state;
            // 任务状态大于COMPLETING，则表明任务结束，直接返回
            if (s > COMPLETING) {
                if (q != null)
                    q.thread = null;
                return s;
            }
            else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
                // Thread.yield() 方法，使当前线程由执行状态，变成为就绪状态，让出cpu时间，在下一个线程执行时候，此线程有可能被执行，也有可能没有被执行。
                // COMPLETING状态为瞬时状态，任务执行完成，要么是正常结束，要么异常结束，后续会被置为NORMAL或者EXCEPTIONAL
                Thread.yield();
            else if (q == null)
                // 每调用一次get方法，都会创建一个WaitNode等待节点
                q = new WaitNode();
            else if (!queued)
                // 将该等待节点添加到链表结构waiters中，q.next = waiters 即在waiters的头部插入
                queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                     q.next = waiters, q);
            // 如果方法带有超时判断，则判断当前时间是否已经超过了截止时间，如果超过了及截止日期，则退出循环直接返回当前状态，此时任务状态一定是NEW
            else if (timed) {
                nanos = deadline - System.nanoTime();
                if (nanos <= 0L) {
                    removeWaiter(q);
                    return state;
                }
                LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
            else
                LockSupport.park(this);
        }
    }

我们在看下report方法，在调用get方法时是如何返回结果的。

这里首先获取outcome的值，并判断任务是否已经执行完成，如果执行完成，则将outcome对象强转成泛型指定的类型；如果任务被取消了，则抛出一个CancellationException异常；如果都不是，则说明任务在执行过程中发生了异常，此时任务状态位EXCEPTIONAL，此时的outcome即为Throwable对象，所以将outcome强转为Throwable并抛出异常。

由此可以知道，我们将一个FutureTask任务submit到线程池中执行的时候，如果发生了异常，是会在调用get方法的时候抛出的。

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);
    }

2.5 cancel方法介绍

cancel方法用于取消正在运行的任务，如果任务取消成功，则返回TRUE，如果取消失败则返回FALSE。

// mayInterruptIfRunning：允许中断正在运行的任务
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
        // mayInterruptIfRunning如果为true则将状态置为INTERRUPTING，如果未false则将状态置为CANCELLED
        if (!(state == NEW &&
              UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
                  mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
            return false;
        // 如果状态修改成功后，判断是否允许中断线程，如果允许，则调用Thread的interrupt方法中断
        try {    // in case call to interrupt throws exception
            if (mayInterruptIfRunning) {
                try {
                    Thread t = runner;
                    if (t != null)
                        t.interrupt();
                } finally { // final state
                    UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
                }
            }
        } finally {
            // 取消后的收尾工作
            finishCompletion();
        }
        return true;
    }

2.6 isDone/isCancelled方法介绍

isDone方法用于判断FutureTask是否已经完成；isCancelled方法用来判断FutureTask是否已经取消，这两个方法都是通过状态位来判断的。

public boolean isCancelled() {
        return state >= CANCELLED;
    }

    public boolean isDone() {
        return state != NEW;
    }

2.7 finishCompletion方法介绍

我们看下finishCompletion方法都做了哪些工作。

// 删除所有等待线程并发出信号，最后执行done方法
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
    }

我们看到done方法是一个受保护的空方法，此处没有任何逻辑，由其子类去根据自己的业务去实现相应的逻辑。例如：java.util.concurrent.ExecutorCompletionService.QueueingFuture。

protected void done() { }

3、总结

通过源码解读可以了解到Future的原理：

第一步：主线程将任务封装成一个Callable对象，通过submit方法提交到线程池去执行。

第二步：线程池执行任务的run方法，主线程则可以继续执行其他逻辑。

第三步：线程池中方法执行完成后将结果赋值到outcome属性上，并修改任务状态。

第四步：主线程在需要拿到异步任务结果的时候，主动调用fugure.get()方法来获取结果。

第五步：如果异步线程在执行过程中发生异常，则会在调用future.get()方法的时候抛出来。

以上就是对于FutureTask的分析，我们可以了解FutureTask任务执行的方式以及Future.get已阻塞的方式获取线程执行的结果原理，并且从代码中可以了解FutureTask的任务执行状态以及状态的变化过程。

作者：京东物流丁冬

来源：京东云开发者社区自猿其说Tech