線程池續：你必需要知道的線程池submit()實現原理之FutureTask！
前言
上一篇內容寫了Java中線程池的實現原理及源碼分析，說好的是實實在在的大知足，想經過一篇文章讓你們對線程池有個透徹的瞭解，可是文章寫完總以爲還缺點什麼?java
上篇文章只提到線程提交的execute()方法，並無講解線程提交的submit()方法，submit()有一個返回值，能夠獲取線程執行的結果Future<T>，這一講就那深刻學習下submit()和FutureTask實現原理。數據結構
使用場景&示例
使用場景
我能想到的使用場景就是在並行計算的時候，例如一個方法中調用methodA()、methodB()，咱們能夠經過線程池異步去提交方法A、B，而後在主線程中獲取組裝方法A、B計算後的結果，可以大大提高方法的吞吐量。多線程
使用示例
/**
* @author wangmeng
* @date 2020/5/28 15:30
*/
public class FutureTaskTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
System.out.println("====執行FutureTask線程任務====");
Future<String> futureTask = threadPool.submit(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
System.out.println("FutureTask執行業務邏輯");
Thread.sleep(2000);
System.out.println("FutureTask業務邏輯執行完畢！");
return "歡迎關注: 一枝花算不算浪漫！";
}
});
System.out.println("====執行主線程任務====");
Thread.sleep(1000);
boolean flag = true;
while(flag){
if(futureTask.isDone() && !futureTask.isCancelled()){
System.out.println("FutureTask異步任務執行結果：" + futureTask.get());
flag = false;
}
}
threadPool.shutdown();
}
}
上面的使用很簡單，submit()內部傳遞的其實是個Callable接口，咱們本身實現其中的call()方法，咱們經過futureTask既能夠獲取到具體的返回值。異步
submit()實現原理
submit() 是也是提交任務到線程池，只是它能夠獲取任務返回結果，返回結果是經過FutureTask來實現的，先看下ThreadPoolExecutor中代碼實現：ide
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
execute(ftask);
return ftask;
}
}
public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
return new FutureTask<T>(callable);
}
}
提交任務仍是執行execute()方法，只是task被包裝成了FutureTask ，也就是在excute()中啓動線程後會執行FutureTask.run()方法。源碼分析
再來具體看下它執行的完整鏈路圖：學習
上圖能夠看到，執行任務並返回執行結果的核心邏輯實在FutureTask中，咱們以FutureTask.run/get 兩個方法爲突破口，一點點剖析FutureTask的實現原理。this
FutureTask源碼初探
先看下FutureTask中部分屬性：線程
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
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;
private Callable<V> callable;
private Object outcome;
private volatile Thread runner;
private volatile WaitNode waiters;
}
- state
當前task狀態，共有7中類型。
NEW： 當前任務還沒有執行
COMPLETING: 當前任務正在結束，還沒有徹底結束，一種臨界狀態
NORMAL：當前任務正常結束
EXCEPTIONAL: 當前任務執行過程當中發生了異常。
CANCELLED: 當前任務被取消
INTERRUPTING: 當前任務中斷中..
INTERRUPTED: 當前任務已中斷3d
- callble
用戶提交任務傳遞的Callable，自定義call方法，實現業務邏輯
- outcome
任務結束時，outcome保存執行結果或者異常信息。
- runner
當前任務被線程執行期間，保存當前任務的線程對象引用
- waiters
由於會有不少線程去get當前任務的結果，因此這裏使用了一種stack數據結構來保存
FutureTask.run()實現原理
咱們已經知道在線程池runWorker()中最終會調用到FutureTask.run()方法中，咱們就來看下它的執行原理吧：
具體代碼以下：
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
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);
}
}
}
首先是判斷FutureTask中state狀態，必須是NEW才能夠繼續執行。
而後經過CAS修改runner引用爲當前線程。
接着執行用戶自定義的call()方法，將返回結果設置到result中，result可能爲正常返回也可能爲異常信息。這裏主要是調用set()/setException()
FutureTask.set()實現原理
set()方法的實現很簡單，直接看下代碼：
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
protected void set(V v) {
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
outcome = v;
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL);
finishCompletion();
}
}
}
將call()返回的數據賦值給全局變量outcome上，而後修改state狀態爲NORMAL，最後調用finishCompletion()來作掛起線程的喚醒操做，這個方法等到get()後面再來說解。
FutureTask.get()實現原理
接着看下代碼：
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}
}
若是FutureTask中state爲NORMAL或者COMPLETING，說明當前任務並無執行完成，調用get()方法會被阻塞，具體的阻塞邏輯在awaitDone()方法：
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)
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);
}
}
這個方法能夠說是FutureTask中最核心的方法了，一步步來分析：
若是timed不爲空，這說明指定nanos時間還未返回結果，線程就會退出。
q是一個WaitNode對象，是將當前引用線程封裝在一個stack數據結構中，WaitNode對象屬性以下：
static final class WaitNode {
volatile Thread thread;
volatile WaitNode next;
WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}
接着判斷當前線程是否中斷，若是中斷則拋出中斷異常。
下面就進入一輪輪的if... else if...判斷邏輯，咱們仍是採用分支的方式去分析。
分支一：if (s > COMPLETING) {
此時get()方法已經有結果了，不管是正常返回的結果，仍是異常、中斷、取消等，此時直接返回state狀態，而後執行report()方法。
分支二：else if (s == COMPLETING)
條件成立，說明當前任務接近完成狀態，這裏讓當前線程再釋放cpu，進行下一輪搶佔cpu。
分支三：else if (q == null)
第一次自旋執行，WaitNode尚未初始化，初始化q=new WaitNode();
分支四：else if (!queued){
queued表明當前線程是否入棧，若是沒有入棧則進行入棧操做，順便將全局變量waiters指向棧頂元素。
分支五/六：LockSupport.park
若是設置了超時時間，則使用parkNanos來掛起當前線程，不然使用park()
通過這麼一輪自旋循環後，若是執行call()尚未返回結果，那麼調用get()方法的線程都會被掛起。
被掛起的線程會等待run()返回結果後依次喚醒，具體的執行邏輯在finishCompletion()中。
最終stack結構中數據以下：
FutureTask.finishCompletion()實現原理
具體實現代碼以下：
private void finishCompletion() {
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;
q = next;
}
break;
}
}
done();
callable = null;
}
代碼實現很簡單，看過get()方法後，咱們知道全部調用get()方法的線程，在run()尚未返回結果前，都會保存到一個有WaitNode構成的statck數據結構中，並且每一個線程都會被掛起。
這裏是遍歷waiters棧頂元素，而後依次查詢起next節點進行喚醒，喚醒後的節點接着會日後調用report()方法。
FutureTask.report()實現原理
具體代碼以下：
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);
}
這個方法很簡單，由於執行到了這裏，說明當前state狀態確定大於COMPLETING，判斷若是是正常返回，那麼返回outcome數據。
若是state是取消狀態，拋出CancellationException異常。
若是狀態都不知足，則說明執行中出現了差錯，直接拋出ExecutionException
FutureTask.cancel()實現原理
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
if (!(state == NEW && UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
return false;
try {
if (mayInterruptIfRunning) {
try {
Thread t = runner;
if (t != null)
t.interrupt();
} finally {
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
}
}
} finally {
finishCompletion();
}
return true;
}
cancel()方法的邏輯很簡單，就是修改state狀態爲CANCELLED，而後調用finishCompletion()來喚醒等待的線程。
這裏若是mayInterruptIfRunning，就會先中斷當前線程，而後再去喚醒等待的線程。
總結
FutureTask的實現原理其實很簡單，每一個方法基本上都畫了一個簡單的流程圖來方便當即。
後面還打算分享一個BlockingQueue相關的源碼解讀，這樣線程池也能夠算是完結了。
在這以前可能會先分享一個SpringCloud常見配置代碼分析、最佳實踐等手冊，方便工做中使用，也是對以前看過的源碼一種總結。敬請期待！
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