Java异步编程——深刻源码分析FutureTask

Java的异步编程是一项很是经常使用的多线程技术。

以前经过源码详细分析了ThreadPoolExecutor《你真的懂ThreadPoolExecutor线程池技术吗？看了源码你会有全新的认识》。经过建立一个ThreadPoolExecutor，往里面丢任务就能够实现多线程异步执行了。

但以前的任务主要倾向于线程池，并无讲到异步编程方面的内容。本文将经过介绍Executor+Future框架（FutureTask是实现的核心），来深刻了解下Java的异步编程。

万事从示例开始，咱们先经过示例Demo有一个直观的印象，再深刻去了解概念与原理。

使用示例

Demo：

使用上比较简单，

运行结果：

任务1异步执行：0
任务2异步执行：0
任务2异步执行：1
...
任务2异步执行：45
同步代码
任务2异步执行：24
...
任务1异步执行：199
任务1:执行完成
...
任务2异步执行：199
任务2：执行完成

倘若你屡次执行这个程序，会发现结果大大的不同，由于两个任务和同步代码是异步由多条线程执行的，打印的结果固然是随机的。

回顾这个Demo作了什么，

1. 构建了一个线程池
2. 往线程池里面丢两个须要执行的任务
3. 最后获取这两个任务的结果

其中第二点是异步执行两个任务，这两个任务和主线程分别是用了三个线程并发执行的，第三点是在主线程中同步等待两个任务的结果。

很容易看出来，异步编程的好处就在于可让不相干的任务异步执行，不阻塞主线程。如果主线程须要异步执行的结果，此时再去等待结果会更加高效，提升程序的执行效率。

下面来看看整个流程的实现原理。

源码分析

通常在实际项目中，都会有配置有本身的线程池，建议你们在用异步编程时，配置一个专用的线程池，作好线程隔离，避免异步线程影响到其余模块的工做。Demo中为了方便，直接调用Exectors的方法生成一个临时的线程池，平常不建议使用。

咱们从这个ExecutorService.submit()方法入手，看看总体实现。

ExecutorService.submit()定义一个接口。这个接口接收一个Callable参数（执行的任务），返回一个Future（计算结果）。

Callable，至关于一个须要执行的任务。它不接收任何参数，能够返回结果，能够抛出异常。相相似的还有Runnable，它也是不接收，不一样点在于它不返回结果，也不抛异常，异常须要在任务内部处理。总结来讲Callable更像一个方法的调用，Runnable则是一个不须要理会结果的调用。在JDK 8之后，它们均可以经过Lamda表达式写法去替代内部类的写法（详见Demo）。

Future，一个异步计算的结果。调用get()方法能够获得对应的计算结果，若是调用时没有异步计算完，会阻塞等待计算的结果。同时它还提供方法能够尝试取消任务的执行。

看回ExecutorService.submit()的实现，代码在实现类AbstractExecutorService中。

除了它接口的实现，还提供了两种变形。原来接口只接收Callable参数，实现类中还新增了接收Runnable参数的。

若是看过以前写的《你真的懂ThreadPoolExecutor线程池技术吗？看了源码你会有全新的认识》，应该了解ThreadPoolExecutor执行任务是能够调用execute()方法的。而这里面submit()方法则是为Callable/Runnable加多一层FutureTask，从而
使执行结果有一个存放的地方，同时也添加一个能够取消的功能。本来的execute()只能执行任务，不会返回结果的，具体实现原理能够看看以前的文章分析。

FutureTask是RunnableFuture的实现。而RunnableFuture是继承Future和Runnable接口的，定义run()接口。

由于FutureTask有run()接口，因此能够直接用一个Callable/Runnable建立一个FutureTask单独执行。但这样并无异步的效果，由于没有启用新的线程去跑，而是在原来的线程阻塞执行的。

到这里咱们清楚知道了，submit()方法重点是利用Callable/Runnable建立一个FutureTask，而后多线程执行run()方法，达到异步处理而且获得结果的效果。而FutureTask的重点则是run()方法如何持有保存计算的结果。

FutureTask.run()

首先判断futureTask对象的state状态，若是不是NEW的话，证实已经开始运行过了，则退出执行。同时futureTask对象经过CAS，把当前线程赋值给变量runner（是Thread类型，说明对象使用哪一个线程执行的），若是CAS失败则退出。

外层try{}代码块中，对callable判空和state状态必须是NEW。内层try{}代码真正调用callable，开始执行任务。若执行成功，则把ran变量设为true，保存结果在result变量中，证实已跑成功过了；若抛异常了，则设为false，result为空，而且调用setException()保存异常。最后若是ran为true的话，则调用set()保存result结果。

看下setException()和set()的实现。

二者的基本流程同样，CAS置换状态，保存结果在outcome变量道中，但setException()保存的结果类型固定是Throwable。另一个不一样在于最终state状态，一个是EXCEPTION，一个是NORMAL。

这两个方法最后都调用了finishCompletion()。这个方法主要是配合线程池唤醒下一个任务。

FutureTask.get()

从上面run()方法得知，最后执行的结果放在了outcome变量中。那最终怎么从其中取出结果来，咱们来看看get()方法。

从源码可知，get()方法分两步。第一步，先判断状态，若是计算为完成，则须要阻塞地等待完成。第二步，若是完成了，则调用report()方法获取结果并返回。

先看看awaitDone()阻塞等待完成。该方法能够选用超时功能。

在自旋的for()循环中，

• 先判断是否线程被中断，中断的话抛异常退出。
• 而后开始判断运行的state值，若是state大于COMPLETING，证实计算已是终态了，此时返回终态变量。
• 若state等于COMPLETING，证实已经开始计算，而且还在计算中。此时为了不过多的CPU时间放在这个for循环的自旋上，程序执行Thread.yield()，把线程从运行态降为就绪态，让出CPU时间。
• 若以上状态都不是，则证实state为NEW，还没开始执行。那么程序在当前循环如今会新增一个WaitNode，在下一个循环里面调用LockSupport.park()把当前线程阻塞。当run()方法结束的时候，会再次唤醒此线程，避免自旋消耗CPU时间。
• 若是选用了超时功能，在阻塞和自旋过程当中超时了，则会返回当前超时的状态。

第二步的report()方法比较简单。

• 若是状态是NORMAL，正常结束的话，则把outcome变量返回；
• 若是是取消或者中断状态的，则抛出取消异常；
• 若是是EXCEPTION，则把outcome看成异常抛出（以前setException()保存的类型就是Throwable）。从而整个get()会有一个异常抛出。

总结

至此咱们已经比较完整地了解Executor+Future的框架原理了，而FutureTask则是该框架的主要实现。下面总结下要点

1. Executor.sumbit()方法异步执行一个任务，而且返回一个Future结果。
2. submit()的原理是利用Callable建立一个FutureTask对象，而后执行对象的run()方法，把结果保存在outcome中。
3. 调用get()获取outcome时，若是任务未完成，会阻塞线程，等待执行完毕。
4. 异常和正常结果都放在outcome中，调用get()获取结果或抛出异常。

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