Callable ：完全理解Java的Future模式
先上一個場景：假如你忽然想作飯，可是沒有廚具，也沒有食材。網上購買廚具比較方便，食材去超市買更放心。java
實現分析：在快遞員送廚具的期間，咱們確定不會閒着，能夠去超市買食材。因此，在主線程裏面另起一個子線程去網購廚具。程序員
可是，子線程執行的結果是要返回廚具的，而run方法是沒有返回值的。因此，這纔是難點，須要好好考慮一下。數據庫
模擬代碼1：數據結構
package test;
public class CommonCook {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
long startTime = System.currentTimeMillis();
// 第一步 網購廚具
OnlineShopping thread = new OnlineShopping();
thread.start();
thread.join(); // 保證廚具送到
// 第二步 去超市購買食材
Thread.sleep(2000); // 模擬購買食材時間
Shicai shicai = new Shicai();
System.out.println("第二步：食材到位");
// 第三步 用廚具烹飪食材
System.out.println("第三步：開始展示廚藝");
cook(thread.chuju, shicai);
System.out.println("總共用時" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
}
// 網購廚具線程
static class OnlineShopping extends Thread {
private Chuju chuju;
@Override
public void run() {
System.out.println("第一步：下單");
System.out.println("第一步：等待送貨");
try {
Thread.sleep(5000); // 模擬送貨時間
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("第一步：快遞送到");
chuju = new Chuju();
}
}
// 用廚具烹飪食材
static void cook(Chuju chuju, Shicai shicai) {}
// 廚具類
static class Chuju {}
// 食材類
static class Shicai {}
}
運行結果：多線程
第一步：下單 第一步：等待送貨 第一步：快遞送到 第二步：食材到位 第三步：開始展示廚藝 總共用時7013ms
能夠看到，多線程已經失去了意義。在廚具送到期間，咱們不能幹任何事。對應代碼，就是調用join方法阻塞主線程。併發
有人問了，不阻塞主線程行不行？？？異步
不行！！！ide
從代碼來看的話，run方法不執行完，屬性chuju就沒有被賦值，仍是null。換句話說，沒有廚具，怎麼作飯。高併發
Java如今的多線程機制，核心方法run是沒有返回值的；若是要保存run方法裏面的計算結果，必須等待run方法計算完，不管計算過程多麼耗時。工具
面對這種尷尬的處境，程序員就會想：在子線程run方法計算的期間，能不能在主線程裏面繼續異步執行？？？
Where there is a will，there is a way！！！
這種想法的核心就是Future模式，下面先應用一下Java本身實現的Future模式。
模擬代碼2：
package test;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
public class FutureCook {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
long startTime = System.currentTimeMillis();
// 第一步 網購廚具
Callable<Chuju> onlineShopping = new Callable<Chuju>() {
@Override
public Chuju call() throws Exception {
System.out.println("第一步：下單");
System.out.println("第一步：等待送貨");
Thread.sleep(5000); // 模擬送貨時間
System.out.println("第一步：快遞送到");
return new Chuju();
}
};
FutureTask<Chuju> task = new FutureTask<Chuju>(onlineShopping);
new Thread(task).start();
// 第二步 去超市購買食材
Thread.sleep(2000); // 模擬購買食材時間
Shicai shicai = new Shicai();
System.out.println("第二步：食材到位");
// 第三步 用廚具烹飪食材
if (!task.isDone()) { // 聯繫快遞員，詢問是否到貨
System.out.println("第三步：廚具還沒到，心情好就等着（心情很差就調用cancel方法取消訂單）");
}
Chuju chuju = task.get();
System.out.println("第三步：廚具到位，開始展示廚藝");
cook(chuju, shicai);
System.out.println("總共用時" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
}
// 用廚具烹飪食材
static void cook(Chuju chuju, Shicai shicai) {}
// 廚具類
static class Chuju {}
// 食材類
static class Shicai {}
}
運行結果：
第一步：下單 第一步：等待送貨 第二步：食材到位 第三步：廚具還沒到，心情好就等着（心情很差就調用cancel方法取消訂單） 第一步：快遞送到 第三步：廚具到位，開始展示廚藝 總共用時5005ms
能夠看見，在快遞員送廚具的期間，咱們沒有閒着，能夠去買食材；並且咱們知道廚具到沒到，甚至能夠在廚具沒到的時候，取消訂單不要了。
好神奇，有沒有。
下面具體分析一下第二段代碼：
1）把耗時的網購廚具邏輯，封裝到了一個Callable的call方法裏面。
public interface Callable<V> {
/**
* Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
*
* @return computed result
* @throws Exception if unable to compute a result
*/
V call() throws Exception;
}
Callable接口能夠看做是Runnable接口的補充，call方法帶有返回值，而且能夠拋出異常。
2）把Callable實例看成參數，生成一個FutureTask的對象，而後把這個對象看成一個Runnable，做爲參數另起線程。
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V>
public interface Future<V> {
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
boolean isCancelled();
boolean isDone();
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
這個繼承體系中的核心接口是Future。Future的核心思想是：一個方法f，計算過程可能很是耗時，等待f返回，顯然不明智。能夠在調用f的時候，立馬返回一個Future，能夠經過Future這個數據結構去控制方法f的計算過程。
這裏的控制包括：
get方法：獲取計算結果（若是還沒計算完，也是必須等待的）
cancel方法：還沒計算完，能夠取消計算過程
isDone方法：判斷是否計算完
isCancelled方法：判斷計算是否被取消
這些接口的設計很完美，FutureTask的實現註定不會簡單，後面再說。
3）在第三步裏面，調用了isDone方法查看狀態，而後直接調用task.get方法獲取廚具，不過這時還沒送到，因此仍是會等待3秒。對比第一段代碼的執行結果，這裏咱們節省了2秒。這是由於在快遞員送貨期間，咱們去超市購買食材，這兩件事在同一時間段內異步執行。
經過以上3步，咱們就完成了對Java原生Future模式最基本的應用。下面具體分析下FutureTask的實現，先看JDK8的，再比較一下JDK6的實現。
既然FutureTask也是一個Runnable，那就看看它的run方法
public void run() {
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return;
try {
Callable<V> c = callable; // 這裏的callable是從構造方法裏面傳人的
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
setException(ex); // 保存call方法拋出的異常
}
if (ran)
set(result); // 保存call方法的執行結果
}
} 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);
}
}
先看try語句塊裏面的邏輯，發現run方法的主要邏輯就是運行Callable的call方法，而後將保存結果或者異常（用的一個屬性result）。這裏比較難想到的是，將call方法拋出的異常也保存起來了。
這裏表示狀態的屬性state是個什麼鬼
* 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;
把FutureTask看做一個Future，那麼它的做用就是控制Callable的call方法的執行過程，在執行的過程當中天然會有狀態的轉換：
1）一個FutureTask新建出來，state就是NEW狀態；COMPETING和INTERRUPTING用的進行時，表示瞬時狀態，存在時間極短(爲何要設立這種狀態？？？不解)；NORMAL表明順利完成；EXCEPTIONAL表明執行過程出現異常；CANCELED表明執行過程被取消；INTERRUPTED被中斷
2）執行過程順利完成：NEW -> COMPLETING -> NORMAL
3）執行過程出現異常：NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
4）執行過程被取消：NEW -> CANCELLED
5）執行過程當中，線程中斷：NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
代碼中狀態判斷、CAS操做等細節，請讀者本身閱讀。
再看看get方法的實現：
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
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) {
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);
}
}
get方法的邏輯很簡單，若是call方法的執行過程已完成，就把結果給出去；若是未完成，就將當前線程掛起等待。awaitDone方法裏面死循環的邏輯，推演幾遍就能弄懂；它裏面掛起線程的主要創新是定義了WaitNode類，來將多個等待線程組織成隊列，這是與JDK6的實現最大的不一樣。
掛起的線程什麼時候被喚醒：
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); // 喚醒線程
}
WaitNode next = q.next;
if (next == null)
break;
q.next = null; // unlink to help gc
q = next;
}
break;
}
}
done();
callable = null; // to reduce footprint
}
以上就是JDK8的大致實現邏輯，像cancel、set等方法，也請讀者本身閱讀。
再來看看JDK6的實現。
JDK6的FutureTask的基本操做都是經過本身的內部類Sync來實現的，而Sync繼承自AbstractQueuedSynchronizer這個出鏡率極高的併發工具類
/** State value representing that task is running */
private static final int RUNNING = 1;
/** State value representing that task ran */
private static final int RAN = 2;
/** State value representing that task was cancelled */
private static final int CANCELLED = 4;
/** The underlying callable */
private final Callable<V> callable;
/** The result to return from get() */
private V result;
/** The exception to throw from get() */
private Throwable exception;
裏面的狀態只有基本的幾個，並且計算結果和異常是分開保存的。
V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException {
acquireSharedInterruptibly(0);
if (getState() == CANCELLED)
throw new CancellationException();
if (exception != null)
throw new ExecutionException(exception);
return result;
}
這個get方法裏面處理等待線程隊列的方式是調用了acquireSharedInterruptibly方法，看過我以前幾篇博客文章的讀者應該很是熟悉了。其中的等待線程隊列、線程掛起和喚醒等邏輯，這裏再也不贅述，若是不明白，請出門左轉。
最後來看看，Future模式衍生出來的更高級的應用。
再上一個場景：咱們本身寫一個簡單的數據庫鏈接池，可以複用數據庫鏈接，而且能在高併發狀況下正常工做。
實現代碼1：
package test;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
public class ConnectionPool {
private ConcurrentHashMap<String, Connection> pool = new ConcurrentHashMap<String, Connection>();
public Connection getConnection(String key) {
Connection conn = null;
if (pool.containsKey(key)) {
conn = pool.get(key);
} else {
conn = createConnection();
pool.putIfAbsent(key, conn);
}
return conn;
}
public Connection createConnection() {
return new Connection();
}
class Connection {}
}
咱們用了ConcurrentHashMap，這樣就沒必要把getConnection方法置爲synchronized(固然也能夠用Lock)，當多個線程同時調用getConnection方法時，性能大幅提高。
貌似很完美了，可是有可能致使多餘鏈接的建立，推演一遍：
某一時刻，同時有3個線程進入getConnection方法，調用pool.containsKey(key)都返回false，而後3個線程各自都建立了鏈接。雖然ConcurrentHashMap的put方法只會加入其中一個，但仍是生成了2個多餘的鏈接。若是是真正的數據庫鏈接，那會形成極大的資源浪費。
因此，咱們如今的難點是：如何在多線程訪問getConnection方法時，只執行一次createConnection。
結合以前Future模式的實現分析：當3個線程都要建立鏈接的時候，若是隻有一個線程執行createConnection方法建立一個鏈接，其它2個線程只須要用這個鏈接就好了。再延伸，把createConnection方法放到一個Callable的call方法裏面，而後生成FutureTask。咱們只須要讓一個線程執行FutureTask的run方法，其它的線程只執行get方法就行了。
上代碼：
package test;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
public class ConnectionPool {
private ConcurrentHashMap<String, FutureTask<Connection>> pool = new ConcurrentHashMap<String, FutureTask<Connection>>();
public Connection getConnection(String key) throws InterruptedException, ExecutionException {
FutureTask<Connection> connectionTask = pool.get(key);
if (connectionTask != null) {
return connectionTask.get();
} else {
Callable<Connection> callable = new Callable<Connection>() {
@Override
public Connection call() throws Exception {
return createConnection();
}
};
FutureTask<Connection> newTask = new FutureTask<Connection>(callable);
connectionTask = pool.putIfAbsent(key, newTask);
if (connectionTask == null) {
connectionTask = newTask;
connectionTask.run();
}
return connectionTask.get();
}
}
public Connection createConnection() {
return new Connection();
}
class Connection {
}
}
推演一遍：當3個線程同時進入else語句塊時，各自都建立了一個FutureTask，可是ConcurrentHashMap只會加入其中一個。第一個線程執行pool.putIfAbsent方法後返回null，而後connectionTask被賦值，接着就執行run方法去建立鏈接，最後get。後面的線程執行pool.putIfAbsent方法不會返回null，就只會執行get方法。
在併發的環境下，經過FutureTask做爲中間轉換，成功實現了讓某個方法只被一個線程執行。
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