Java異步編程——深刻源碼分析FutureTask

Java的異步編程是一項很是經常使用的多線程技術。

以前經過源碼詳細分析了ThreadPoolExecutor《你真的懂ThreadPoolExecutor線程池技術嗎？看了源碼你會有全新的認識》。經過建立一個ThreadPoolExecutor，往裏面丟任務就能夠實現多線程異步執行了。

但以前的任務主要傾向於線程池，並無講到異步編程方面的內容。本文將經過介紹Executor+Future框架（FutureTask是實現的核心），來深刻了解下Java的異步編程。

萬事從示例開始，咱們先經過示例Demo有一個直觀的印象，再深刻去了解概念與原理。

使用示例

Demo：

使用上比較簡單，

運行結果：

任務1異步執行：0
任務2異步執行：0
任務2異步執行：1
...
任務2異步執行：45
同步代碼
任務2異步執行：24
...
任務1異步執行：199
任務1:執行完成
...
任務2異步執行：199
任務2：執行完成

複製代碼

倘若你屢次執行這個程序，會發現結果大大的不同，由於兩個任務和同步代碼是異步由多條線程執行的，打印的結果固然是隨機的。

回顧這個Demo作了什麼，

1. 構建了一個線程池
2. 往線程池裏面丟兩個須要執行的任務
3. 最後獲取這兩個任務的結果

其中第二點是異步執行兩個任務，這兩個任務和主線程分別是用了三個線程併發執行的，第三點是在主線程中同步等待兩個任務的結果。

很容易看出來，異步編程的好處就在於可讓不相干的任務異步執行，不阻塞主線程。如果主線程須要異步執行的結果，此時再去等待結果會更加高效，提升程序的執行效率。

下面來看看整個流程的實現原理。

源碼分析

通常在實際項目中，都會有配置有本身的線程池，建議你們在用異步編程時，配置一個專用的線程池，作好線程隔離，避免異步線程影響到其餘模塊的工做。Demo中爲了方便，直接調用Exectors的方法生成一個臨時的線程池，平常不建議使用。

咱們從這個ExecutorService.submit()方法入手，看看總體實現。

ExecutorService.submit()定義一個接口。這個接口接收一個Callable參數（執行的任務），返回一個Future（計算結果）。

Callable，至關於一個須要執行的任務。它不接收任何參數，能夠返回結果，能夠拋出異常。相相似的還有Runnable，它也是不接收，不一樣點在於它不返回結果，也不拋異常，異常須要在任務內部處理。總結來講Callable更像一個方法的調用，Runnable則是一個不須要理會結果的調用。在JDK 8之後，它們均可以經過Lamda表達式寫法去替代內部類的寫法（詳見Demo）。

Future，一個異步計算的結果。調用get()方法能夠獲得對應的計算結果，若是調用時沒有異步計算完，會阻塞等待計算的結果。同時它還提供方法能夠嘗試取消任務的執行。

看回ExecutorService.submit()的實現，代碼在實現類AbstractExecutorService中。

除了它接口的實現，還提供了兩種變形。原來接口只接收 Callable參數，實現類中還新增了接收 Runnable參數的。

若是看過以前寫的《你真的懂ThreadPoolExecutor線程池技術嗎？看了源碼你會有全新的認識》，應該瞭解ThreadPoolExecutor執行任務是能夠調用execute()方法的。而這裏面submit()方法則是爲Callable/Runnable加多一層FutureTask，從而 使執行結果有一個存放的地方，同時也添加一個能夠取消的功能。本來的execute()只能執行任務，不會返回結果的，具體實現原理能夠看看以前的文章分析。

FutureTask是RunnableFuture的實現。而RunnableFuture是繼承Future和Runnable接口的，定義run()接口。

由於 FutureTask有 run()接口，因此能夠直接用一個 Callable/Runnable建立一個 FutureTask單獨執行。但這樣並無異步的效果，由於沒有啓用新的線程去跑，而是在原來的線程阻塞執行的。

到這裏咱們清楚知道了，submit()方法重點是利用Callable/Runnable建立一個FutureTask，而後多線程執行run()方法，達到異步處理而且獲得結果的效果。而FutureTask的重點則是run()方法如何持有保存計算的結果。

FutureTask.run()

首先判斷 futureTask對象的 state狀態，若是不是NEW的話，證實已經開始運行過了，則退出執行。同時 futureTask對象經過CAS，把當前線程賦值給變量 runner（是Thread類型，說明對象使用哪一個線程執行的），若是CAS失敗則退出。

外層try{}代碼塊中，對callable判空和state狀態必須是NEW。內層try{}代碼真正調用callable，開始執行任務。若執行成功，則把ran變量設爲true，保存結果在result變量中，證實已跑成功過了；若拋異常了，則設爲false，result爲空，而且調用setException()保存異常。最後若是ran爲true的話，則調用set()保存result結果。

看下setException()和set()的實現。

二者的基本流程同樣，CAS置換狀態，保存結果在 outcome變量道中，但 setException()保存的結果類型固定是 Throwable。另一個不一樣在於最終 state狀態，一個是EXCEPTION，一個是NORMAL。

這兩個方法最後都調用了finishCompletion()。這個方法主要是配合線程池喚醒下一個任務。

FutureTask.get()

從上面run()方法得知，最後執行的結果放在了outcome變量中。那最終怎麼從其中取出結果來，咱們來看看get()方法。

從源碼可知， get()方法分兩步。第一步，先判斷狀態，若是計算爲完成，則須要阻塞地等待完成。第二步，若是完成了，則調用 report()方法獲取結果並返回。

先看看awaitDone()阻塞等待完成。該方法能夠選用超時功能。

在自旋的for()循環中，

• 先判斷是否線程被中斷，中斷的話拋異常退出。
• 而後開始判斷運行的state值，若是state大於COMPLETING，證實計算已是終態了，此時返回終態變量。
• 若state等於COMPLETING，證實已經開始計算，而且還在計算中。此時爲了不過多的CPU時間放在這個for循環的自旋上，程序執行Thread.yield()，把線程從運行態降爲就緒態，讓出CPU時間。
• 若以上狀態都不是，則證實state爲NEW，還沒開始執行。那麼程序在當前循環如今會新增一個WaitNode，在下一個循環裏面調用LockSupport.park()把當前線程阻塞。當run()方法結束的時候，會再次喚醒此線程，避免自旋消耗CPU時間。
• 若是選用了超時功能，在阻塞和自旋過程當中超時了，則會返回當前超時的狀態。

第二步的report()方法比較簡單。

• 若是狀態是NORMAL，正常結束的話，則把outcome變量返回；
• 若是是取消或者中斷狀態的，則拋出取消異常；
• 若是是EXCEPTION，則把outcome看成異常拋出（以前setException()保存的類型就是Throwable）。從而整個get()會有一個異常拋出。

總結

至此咱們已經比較完整地瞭解Executor+Future的框架原理了，而FutureTask則是該框架的主要實現。下面總結下要點

1. Executor.sumbit()方法異步執行一個任務，而且返回一個Future結果。
2. submit()的原理是利用Callable建立一個FutureTask對象，而後執行對象的run()方法，把結果保存在outcome中。
3. 調用get()獲取outcome時，若是任務未完成，會阻塞線程，等待執行完畢。
4. 異常和正常結果都放在outcome中，調用get()獲取結果或拋出異常。

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