別再問我Runnable、Callable、Future、FutureTask有什麼關聯了
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Runnable與Callable
衆所周知，當咱們使用線程來運行Runnable任務時，是不支持獲取返回值的，由於Runnable接口的run()方法使用void修飾的，方法不支持返回值。而在不少場景下，咱們一方面須要經過線程來異步執行任務，以便提高性能，另外一方面還指望能獲取到任務的執行結果。尤爲是在RPC框架中，異步獲取任務返回值，幾乎是每個RPC接口要實現的功能。這個時候，使用Runnable顯然就沒法知足咱們的需求了，所以Callable就出現了。編程
Callable與Runnable相似，它是一個接口，也只有一個方法：call()，不一樣的是Callable的call()方法有是有返回值的，返回值的類型是一個泛型，泛型由建立Callable對象時指定。微信
public interface Callable<V> {
V call() throws Exception;
}
複製代碼
Runnable對象能夠傳入到Thread類的構造方法中，經過Thread來運行Runnable任務，而Callable接口則不能直接傳入到Thread中來運行，Callable接口一般結合線程池來使用。線程池ThreadPoolExecutor中除了提供execute()方法來提交任務之外，還提供了submit()的三個重載方法來提交任務，這三個方法均有返回值。 ThreadPoolExecutor類繼承了抽象類AbstractExecutorService，在AbstractExecutorService中定義了submit()重載的三個方法。具體定義以下。數據結構
| 方法名 | 說明 |
|---|---|
Future<?> submit(Runnable task) |
該方法雖然返回值對象是Future，可是因爲提交的是Runnable類型的任務，因此使用Future.get()獲取結果時會返回null。 |
Future submit(Runnable task,T result) |
方法的返回值對象是Future，經過Future.get()獲取具體的返回值時，結果與方法的第二個參數result相等。 |
Future submit(Callable task) |
該方法的參數是一個Callable類型的對象，方法有返回值。調用Future.get()獲取到值就是Callable接口的call()方法返回的值 |
能夠看到，submit()的三個重載方法的返回值均是Future類型的對象，那麼Future又是何方神聖呢？併發
Future與FutureTask
當任務提交到線程池後，咱們可能須要獲取任務的返回值，或者想要知道任務有沒有執行完成，甚至有時候由於特殊狀況須要取消任務，那麼這個時候應該怎麼辦呢？框架
在JUC包下，爲咱們提供了一個工具類：Future。Future是一個接口，它提供了5個方法，當一個任務經過submit()方法提交到線程池後，線程池會返回一個Future類型的對象，咱們能夠經過Future對象的這5個方法來獲取任務在線程池中的狀態。這些方法定義以下。異步
| 方法名 | 說明 |
|---|---|
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) |
用來取消任務，mayInterruptIfRunning參數用來表示是否須要中斷線程，若是傳true，表示須要中斷線程，那麼就會將任務的狀態設置爲INTERRUPTING；若是爲false，那麼就會將任務的狀態設置爲CANCELLED（關於任務的狀態INTERRUPTING和CANCELLED後面會說明） |
boolean isCancelled() |
判斷任務是否已經被取消了，返回true表示被取消了 |
boolean isDone() |
判斷任務是否已經完成 |
V get() |
獲取任務的返回值，會一直阻塞當前線程，直到獲取到任務的返回值 |
V get(long timeout, TimeUnit unit) |
以超時的形式獲取任務的返回值，若是在超時時間內沒獲取到任務的返回值，那麼拋出TimeoutException異常 |
Future接口有一個具體的實現類：FutureTask。事實上線程池ThreadPoolExecutor的三個submit()重載方法，返回的Future類型的對象，都是FutureTask的實例對象。FutureTask的UML圖以下。工具
從UML圖上能夠看到，FutureTask是直接實現了RunnableFuture接口，而RunnableFuture接口又繼承了Runnable和Future接口，所以FutureTask既是Runnable類型，又是Future類型。 當調用submit()方法來向線程池中提交任務時，不管提交的是Runnable類型的任務，仍是提交的是Callable類型的任務，最終都是將任務封裝成一個FutureTask對象。下面以Future<T> submit(Callable<T> task)方法爲例，來看下源碼。源碼分析
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
// 調用newTaskFor()將Callable任務封裝成一個FutureTask
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
// 執行任務
execute(ftask);
return ftask;
}
// newTaskFor
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
// 直接new一個FutureTask對象
return new FutureTask<T>(callable);
}
複製代碼
當submit()方法提交的是Runnable任務時，會調用newTaskFor()方法的另外一個重載方法來將任務封裝成一個FutureTask對象，因此說最終線程池中執行的都是FutureTask類型的任務。（注意，Runnable類型的對象，最終會經過Executors.callable()方法，將Runnable對象封裝爲一個Callable類型的對象。Executors.callable()的原理是使用適配器模式，適配器爲 RunnableAdapter類）性能
知道了Future與這些類之間的關係後，下面就來分析下線程池是如何執行一個FutureTask任務的？以及又是如何經過Future.get()方法就能獲取到任務的返回值的？
設計原理與數據結構
想要弄明白Future接口的幾個方法的原理，那麼就必須先搞明白FutureTask的數據接口，以及其設計的原理。
既然想要在線程池外部經過其餘線程獲取到池中任務的狀態，而線程池中的任務都是FutureTask類型，那麼在FutureTask這個對象中，確定存在和任務狀態有關的變量。
在FutureTask中定義了十分重要的屬性。以下表所示。
| 屬性 | 含義 |
|---|---|
| int state | state變量用來保存任務的狀態，它的取值有0~6，7個值，每一個值分別表示不一樣的含義，具體含義見下方說明 |
| Callable callable | callable表示的是咱們提交的任務，Runnable類型的任務會經過Executors.callable()來轉變爲Callable |
| Object outcome | 用來保存Callable的call()方法的返回值 |
| Thread runner | 保存執行當前任務的線程 |
| WaitNode waiters | 用來保存等待獲取任務返回值的線程的等待隊列，當咱們在主線程中調用Future.get()方法時，就會將主線程封裝成一個WaitNode。當有多個線程同時調用Future.get()方法時，WaitNode會經過next屬性來維護一個鏈表 |
state的取值有7種。每種取值的含義以下代碼註釋。
private volatile int state;
// 任務的初始狀態，當新建一個FutureTask任務時，state值默認爲NEW
private static final int NEW = 0;
// 任務處於完成中，什麼是完成中呢？有兩種狀況
// 1. 任務正常被線程執行完成了，可是尚未將返回值賦值給outcome屬性
// 2. 任務在執行過程當中出現了異常，被捕獲了，而後處理異常了，在將異常對象賦值給outcome屬性以前
private static final int COMPLETING = 1;
// 任務正常被執行完成，並將任務的返回值賦值給outcome屬性以後，會處於NORMAL狀態
private static final int NORMAL = 2;
// 任務出了異常，並將異常對象賦值給outcome屬性以後
private static final int EXCEPTIONAL = 3;
// 調用cancle(false)，任務被取消了
private static final int CANCELLED = 4;
// 調用cancle(true)，任務取消，可是在線程中斷以前
private static final int INTERRUPTING = 5;
// 調用cancle(true)，任務取消，可是在線程中斷以後
private static final int INTERRUPTED = 6;
複製代碼
雖然任務的狀態有7中取值，但大體能夠將其分爲三類：初始狀態、中間狀態、最終狀態。這些狀態的變化關係，以下圖所示。
- 當一個任務被提交到線程池後，它的初始狀態爲
NEW；當任務被正常執行完成後，會先將任務的狀態設置爲COMPLETING；而後將任務的返回值（即Callable的call()方法的返回值）賦值給FutureTask的outcome屬性，當賦值完成後，再將任務的狀態設置爲NORMAL。這是一個任務正常執行的流程，也就是對應圖中①所示的線路。 - 當任務被提交到線程池後，線程在執行任務中出現了異常，那麼會現將任務的狀態由
NEW設置爲COMPLETING；而後將異常對象賦值給outcome屬性，當賦值完成後，再將任務狀態設置爲EXCEPTIONAL。這是任務出現異常的狀況，也就是對應圖中②所示的線路。 - 當任務被提交到線程池後，若是調用Future對象的cancle()方法，當cancle()傳入的傳入的參數爲false時，會直接將任務的狀態由
NEW設置爲CANCELLED，也就是對應圖中③所對應的路線。 - 當cancle()方法傳入的參數爲true時，會先將任務狀態設置爲
INTERRUPTING；而後調用執行當前任務的線程的interrupt()方法，最後再設置任務狀態爲INTERRUPTED，也就是圖中④所對應的線路。
源碼分析
當調用submit()方法提交任務到線程池後，會先調用newTaskFor()方法將任務封裝成一個FutureTask對象，而後調用execute()方法來執行任務。在execute()方法中會先啓動Worker線程，當線程啓動後，會調用線程的runWorker()方法。在runWorker()方法中最終會調用到task.run()方法，也就是FutureTask的run()方法。關於這一步詳細的源碼分析能夠參考這篇文章：線程池ThreadPoolExecutor的實現原理
下面只分析下FutureTask.run()方法。在run()方法中，最終會調用callable屬性的call()方法。當任務正常執行完後，會調用FutureTask的set()方法來更新任務的狀態以及保存任務的返回值，最後喚醒獲取任務結果的處於等待中的線程。若是出現異常，將會調用setException()方法來更新任務狀態，保存異常，喚醒等待中的線程。下面是run()方法的源碼，我對源碼進行了刪減，只保留了核心邏輯。
public void run() {
......
try {
Callable<V> c = callable;
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
// 執行任務
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
// 出異常時將state置爲EXCEPTIONAL
setException(ex);
}
if (ran)
// 設置任務狀態爲COMPLETING，而後保存返回值，最後再設置爲NORMAL
set(result);
}
} finally {
// 其餘處理
......
}
}
複製代碼
對於set()和setException()方法，比較簡單，就是經過CAS來更新任務的狀態，而後將任務的返回值賦值給outcome屬性，最後調用finishCompletion()方法喚醒waiters這個屬性構成的等待隊列中的線程。（關於CAS相關的原理和知識，能夠參考這兩篇文章：初識CAS的實現原理 和 Unsafe類的源碼解讀以及使用場景）
接下來結合具體的源碼來分析下Future.get()方法的執行過程。當調用Future.get()方法時，會調用FutureTask的get()方法。在get()方法，首先判斷任務有沒有完成，若是已經完成了，就直接返回結果，若是沒有完成，則進行等待。
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
// 若是狀態處於NEW或者COMPLETING狀態，表示任務尚未執行完成，須要等待
if (s <= COMPLETING)
// awaitDone()進行等待
s = awaitDone(false, 0L);
// 返回結果
return report(s);
}
複製代碼
經過調用report(s)方法返回結果，在report()方法中，會先判斷任務是否是處於NORMAL狀態，即任務是不是被正常執行完成，只有正常執行完成了，纔會返回結果，不然拋出對應的異常。
private V report(int s) throws ExecutionException {
Object x = outcome;
// 只有任務正常結束時，纔會返回
if (s == NORMAL)
return (V)x;
if (s >= CANCELLED)
throw new CancellationException();
throw new ExecutionException((Throwable)x);
}
複製代碼
當任務處於NEW或者COMPLETING狀態時，表示任務正處於執行中或者任務的返回值尚未被賦值給outcome屬性，因此這個時候，還不能返回結果，所以須要進入等待狀態，即調用awaitDone()方法。在awaitDone()方法中，有一個無限for循環，先判斷任務是不是處於COMPLETING狀態。若是處於COMPLETING狀態，就讓當前線程先放棄CPU的調度權（爲何要放棄CPU的調度權呢？由於從COMPLETING變爲NORMAL狀態，或者其餘狀態，是一段很短的過程，讓當前線程先放棄CPU的調度權，以便讓其餘線程獲得CPU資源，而CPU的時間片也是一段很短的時間，當下次線程在獲取到CPU資源的時候，此時任務的狀態大機率會變爲NORMAL或者其餘最終狀態，因爲代碼是處於for循環中的，因此會進入下一次循環）。若是當前任務不是處於COMPLETING狀態，就會讓線程進行park等待，具體是park超時等待呢，仍是非超時等待呢？由awaitDone()方法傳入的參數決定。（當調用park()方法後，這些線程又是在何時被喚醒的呢？當任務的狀態變爲最終狀態後，會調用finishCompletion()方法，喚醒這些處於等待中的線程。）
下面是awaitDone()方法的部分源碼，我對源碼進行了刪減，只保留的主要邏輯。
private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException {
......
for (;;) {
......
// 任務處於COMPLETING中，就讓當前線程先暫時放棄CPU的執行權
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
......
else if (timed) {
// 超時時間計算
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
removeWaiter(q);
return state;
}
// 等待一段時間
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
else
// 等待
LockSupport.park(this);
}
}
複製代碼
總結
- 本文主要介紹了Runnable接口和Callable接口的區別，前者沒有返回值，能被Thread直接執行；後者有返回值，不能被Thread直接執行須要經過線程池來執行。
- 接着介紹了Future接口的5個方法，以及它的實現類FutureTask的幾個重要屬性以及數據結構。不管是Runnable仍是Callable對象，當提交到線程池後，均是被封裝成一個FutureTask對象後執行。對於Future的使用場景，在Netty和Dubbo均有大量的應用。
- 最後結合源碼詳細介紹了FutureTask的get()方法和run()方法的實現原理。
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