FutureTask 原理剖析

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編者注:FutureTask用於在異步操做場景中,FutureTask做爲生產者(執行FutureTask的線程)和消費者(獲取FutureTask結果的線程)的橋樑,若是生產者先生產出了數據,那麼消費者get時能會直接拿到結果;若是生產者還未產生數據,那麼get時會一直阻塞或者超時阻塞,一直到生產者產生數據喚醒阻塞的消費者爲止。話很少說,下來開始FutureTask的分析~web

Future接口和實現Future接口的FutureTask,表明異步計算的結果,Future使用示例以下:安全

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(510,
        60, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>());

Future future = executor.submit(() -> {
    System.out.println("hello world");
    return "hello world";
});
System.out.println(future.get());

Future接口聲明以下:微信

FutureTask除了實現Future接口外,還實現了Runnable接口。所以,FutureTask能夠交給Executor執行,也能夠由調用線程直接執行(FutureTask.run())。根據FutureTask.run()方法被執行的時機,FutureTask能夠處於如下3種狀態:未啓動、運行中、已完成app

當FutureTask處於未啓動或已啓動狀態時,執行FutureTask.get()方法將致使調用線程阻塞;當FutureTask處於已完成狀態時,執行FutureTask.get()方法將致使調用線程當即返回結果或拋出異常。異步

  • 當FutureTask處於未啓動狀態時,執行FutureTask.cancel()方法將致使此任務永遠不會被執行;this

  • 當FutureTask處於已啓動狀態時,執行FutureTask.cancel(true)方法將以中斷執行此任務線程的方式來試圖中止任務;spa

  • 當FutureTask處於已啓動狀態時,執行FutureTask.cancel(false)方法將不會對正在執行此任務的線程產生影響(讓正在執行的任務運行完成);.net

  • 當FutureTask處於已完成狀態時,執行FutureTask.cancel(…)方法將返回false。線程

FutureTask的生命週期以下:

Future.get() 阻塞/喚醒原理

執行future.get()時,若是對應線程還未執行完,則會阻塞當前線程,以FutureTask爲例,FutureTask中有一個int型的狀態標誌,表示future對應線程的運行狀態。

/**
 * Possible state transitions:
 * NEW -> COMPLETING -> NORMAL
 * NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
 * NEW -> CANCELLED
 * NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
 */

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;

當調用FutureTask.get()時,若是Future對應的任務已完成(正常執行完成或者拋出異常),執行返回;若是Future對應的任務未執行完成,則會將當前線程封裝成一個NodeWait,以CAS方式添加到FutureTask.waiters鏈表上(單向鏈表,新節點都會做爲head node添加上),而後會阻塞當前線程(包括超時阻塞)。

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING) // 線程未執行完成
        s = awaitDone(false0L);
    return report(s);
}

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) { // 線程已運行完成
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
            Thread.yield(); // future task已完成,正在賦值outcome,get()返回的值就是outcome,這時不用加入WaitNode便可
        else if (q == null)
            q = new WaitNode(); // 生成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);
    }
}

private V report(int s) throws ExecutionException {
    Object x = outcome;
    if (s == NORMAL) // 正常執行結束
        return (V)x;
    if (s >= CANCELLED) // 已取消
        throw new CancellationException();
    throw new ExecutionException((Throwable)x); // 拋出異常
}

在任務執行(run()方法)中,調用result = callable.call方法,正常執行完畢後調用set(result)設置Future結果;出現異常則調用setException(ex)。最後會調用finishCompletion()來喚醒阻塞在Future的全部線程。

設置完數據以後(無論是正常數據仍是對應異常),當等待數據的線程來get時,就會返回或者直接給它拋異常;若是當線程已經get過並阻塞在這裏時,FutureTask須要將這些線程喚醒起來。

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 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);
    }
}

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

// 喚醒全部等待線程
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
}

小結

FutureTask中的waiters是一個單向鏈表,若是多個線程阻塞在該Future上,最新阻塞的線程排列在鏈表前面,喚醒線程時依次從前到後遍歷鏈表喚醒線程,這樣處理貌似對最開始阻塞在Future上的線程不太公平哈,由於最開始阻塞的線程是到最後才被喚醒的


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