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1 Future

Future 表示一個(gè)任務(wù)的生命周期，是一個(gè)可取消的異步運(yùn)算。提供了相應(yīng)的方法來(lái)判斷任務(wù)狀態(tài)(完成或取消)，以及獲取任務(wù)的結(jié)果和取消任務(wù)等。適合具有可取消性和執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)的異步任務(wù)。

并發(fā)包中許多異步任務(wù)類都繼承自Future，其中最典型的就是 FutureTask

1.1 介紹

Future 表示異步計(jì)算的結(jié)果。它提供了檢查計(jì)算是否完成的方法，以等待計(jì)算的完成，并獲取計(jì)算的結(jié)果。計(jì)算完成后只能使用get方法來(lái)獲取結(jié)果，如有必要，計(jì)算完成前可以阻塞此方法。取消則由 cancel 方法來(lái)執(zhí)行。還提供了其他方法，以確定任務(wù)是正常完成還是被取消了。一旦計(jì)算完成，就不能再取消計(jì)算。如果為了可取消性而使用 Future 但又不提供可用的結(jié)果，則可以聲明 Future 形式類型、并返回 null 作為底層任務(wù)的結(jié)果。

也就是說(shuō)Future具有這樣的特性

• 異步執(zhí)行，可用 get 方法獲取執(zhí)行結(jié)果
• 如果計(jì)算還沒(méi)完成，get 方法是會(huì)阻塞的，如果完成了，是可以多次獲取并立即得到結(jié)果的
• 如果計(jì)算還沒(méi)完成，是可以取消計(jì)算的
• 可以查詢計(jì)算的執(zhí)行狀態(tài)

2 FutureTask

FutureTask 為 Future 提供了基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)，如獲取任務(wù)執(zhí)行結(jié)果(get)和取消任務(wù)(cancel)等。如果任務(wù)尚未完成，獲取任務(wù)執(zhí)行結(jié)果時(shí)將會(huì)阻塞。一旦執(zhí)行結(jié)束，任務(wù)就不能被重啟或取消(除非使用runAndReset執(zhí)行計(jì)算)。

FutureTask 常用來(lái)封裝 Callable 和 Runnable，也可作為一個(gè)任務(wù)提交到線程池中執(zhí)行。除了作為一個(gè)獨(dú)立的類，此類也提供創(chuàng)建自定義 task 類使用。FutureTask 的線程安全由CAS保證。

FutureTask 內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)由volatile修飾的int型變量—state，代表當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)

• NEW：新建
• COMPLETING：完成
• NORMAL：正常運(yùn)行
• EXCEPTIONAL：異常退出
• CANCELLED：任務(wù)取消
• INTERRUPTING：線程中斷中
• INTERRUPTED：線程已中斷

在這七種狀態(tài)中，有四種任務(wù)終止?fàn)顟B(tài)：NORMAL、EXCEPTIONAL、CANCELLED、INTERRUPTED。各種狀態(tài)的轉(zhuǎn)化如下：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及核心參數(shù)

//內(nèi)部持有的callable任務(wù)，運(yùn)行完畢后置空 
private Callable<V> callable; 
 
//從get()中返回的結(jié)果或拋出的異常 
private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes 
 
//運(yùn)行callable的線程,在 run 時(shí)進(jìn)行 CAS 操作 
private volatile Thread runner; 
 
//使用Treiber棧保存等待線程 
private volatile WaitNode waiters; 

FutureTask 繼承了Runnale和Future，本身也作為一個(gè)線程運(yùn)行,可以提交給線程池執(zhí)行。維護(hù)了一個(gè)內(nèi)部類WaitNode，使用簡(jiǎn)單的Treiber棧(無(wú)鎖并發(fā)棧)實(shí)現(xiàn)，用于存儲(chǔ)等待線程。FutureTask 只有一個(gè)自定義的同步器 Sync 的屬性，所有的方法都是委派給此同步器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這也是JUC里使用AQS的通用模式。

源碼解析

FutureTask 的同步器 由于Future在任務(wù)完成后，可以多次自由獲取結(jié)果，因此，用于控制同步的AQS使用共享模式。

FutureTask 底層任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)保存在AQS的狀態(tài)里。AQS是否允許線程獲取(是否阻塞)是取決于任務(wù)是否執(zhí)行完成，而不是具體的狀態(tài)值。

private final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { 
    // 定義表示任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)的常量。由于使用了位運(yùn)算進(jìn)行判斷，所以狀態(tài)值分別是2的冪。 
 
    // 表示任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了，可以執(zhí)行 
    private static final int READY     = 0; 
 
    // 表示任務(wù)正在執(zhí)行中 
    private static final int RUNNING   = 1; 
 
    // 表示任務(wù)已執(zhí)行完成 
    private static final int RAN       = 2; 
 
    // 表示任務(wù)已取消 
    private static final int CANCELLED = 4; 
 
 
    // 底層的表示任務(wù)的可執(zhí)行對(duì)象 
    private final Callable<V> callable; 
 
    // 表示任務(wù)執(zhí)行結(jié)果，用于get方法返回。 
    private V result; 
 
    // 表示任務(wù)執(zhí)行中的異常，用于get方法調(diào)用時(shí)拋出。 
    private Throwable exception; 
 
     /* 
     * 用于執(zhí)行任務(wù)的線程。在 set/cancel 方法后置為空，表示結(jié)果可獲取。 
     * 必須是 volatile的，用于確保完成后（result和exception）的可見性。 
     * （如果runner不是volatile，則result和exception必須都是volatile的） 
     */ 
    private volatile Thread runner; 
 
 
     /** 
     * 已完成或已取消 時(shí)成功獲取 
     */ 
    protected int tryAcquireShared( int ignore) { 
        return innerIsDone() ? 1 : -1; 
    } 
 
    /** 
     * 在設(shè)置最終完成狀態(tài)后讓AQS總是通知，通過(guò)設(shè)置runner線程為空。 
     * 這個(gè)方法并沒(méi)有更新AQS的state屬性， 
     * 所以可見性是通過(guò)對(duì)volatile的runner的寫來(lái)保證的。 
     */ 
    protected boolean tryReleaseShared( int ignore) { 
        runner = null; 
        return true; 
    } 
 
 
     // 執(zhí)行任務(wù)的方法 
    void innerRun() { 
        // 用于確保任務(wù)不會(huì)重復(fù)執(zhí)行 
        if (!compareAndSetState(READY, RUNNING)) 
            return; 
 
        // 由于Future一般是異步執(zhí)行，所以runner一般是線程池里的線程。 
        runner = Thread.currentThread(); 
 
        // 設(shè)置執(zhí)行線程后再次檢查，在執(zhí)行前檢查是否被異步取消 
        // 由于前面的CAS已把狀態(tài)設(shè)置RUNNING， 
        if (getState() == RUNNING) { // recheck after setting thread 
            V result; 
            // 
            try { 
                result = callable.call(); 
            } catch (Throwable ex) { 
                // 捕獲任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中拋出的所有異常 
                setException(ex); 
                return; 
            } 
            set(result); 
        } else { 
      // 釋放等待的線程 
            releaseShared(0); // cancel 
        } 
    } 
 
    // 設(shè)置結(jié)果 
    void innerSet(V v) { 
        // 放在循環(huán)里進(jìn)行是為了失敗后重試。 
        for (;;) { 
            // AQS初始化時(shí)，狀態(tài)值默認(rèn)是 0，對(duì)應(yīng)這里也就是 READY 狀態(tài)。 
            int s = getState(); 
 
            // 已完成任務(wù)不能設(shè)置結(jié)果 
            if (s == RAN) 
                return; 
 
            // 已取消 的任務(wù)不能設(shè)置結(jié)果 
            if (s == CANCELLED) { 
                // releaseShared 會(huì)設(shè)置runner為空， 
                // 這是考慮到與其他的取消請(qǐng)求線程 競(jìng)爭(zhēng)中斷 runner 
                releaseShared(0); 
                return; 
            } 
 
            // 先設(shè)置已完成，免得多次設(shè)置 
            if (compareAndSetState(s, RAN)) { 
                result = v; 
                releaseShared(0); // 此方法會(huì)更新 runner，保證result的可見性 
                done(); 
                return; 
            } 
        } 
    } 
 
    // 獲取異步計(jì)算的結(jié)果 
    V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException { 
        acquireSharedInterruptibly(0);// 獲取共享，如果沒(méi)有完成則會(huì)阻塞。 
 
        // 檢查是否被取消 
        if (getState() == CANCELLED) 
            throw new CancellationException(); 
 
        // 異步計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)異常 
        if (exception != null) 
            throw new ExecutionException(exception); 
 
        return result; 
    } 
 
    // 取消執(zhí)行任務(wù) 
    boolean innerCancel( boolean mayInterruptIfRunning) { 
        for (;;) { 
            int s = getState(); 
 
            // 已完成或已取消的任務(wù)不能再次取消 
            if (ranOrCancelled(s)) 
                return false; 
 
            // 任務(wù)處于 READY 或 RUNNING 
            if (compareAndSetState(s, CANCELLED)) 
                break; 
        } 
        // 任務(wù)取消后，中斷執(zhí)行線程 
        if (mayInterruptIfRunning) { 
            Thread r = runner; 
            if (r != null) 
                r.interrupt(); 
        } 
        releaseShared(0); // 釋放等待的訪問(wèn)結(jié)果的線程 
        done(); 
        return true; 
    } 
 
    /** 
     * 檢查任務(wù)是否處于完成或取消狀態(tài) 
     */ 
    private boolean ranOrCancelled( int state) { 
        return (state & (RAN | CANCELLED)) != 0; 
    } 
 
     // 其他方法省略 
} 

從 innerCancel 方法可知，取消操作只是改變了任務(wù)對(duì)象的狀態(tài)并可能會(huì)中斷執(zhí)行線程。如果任務(wù)的邏輯代碼沒(méi)有響應(yīng)中斷，則會(huì)一直異步執(zhí)行直到完成，只是最終的執(zhí)行結(jié)果不會(huì)被通過(guò)get方法返回，計(jì)算資源的開銷仍然是存在的。

總的來(lái)說(shuō)，F(xiàn)uture 是線程間協(xié)調(diào)的一種工具。

AbstractExecutorService.submit(Callable task)

FutureTask 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方法都很簡(jiǎn)單，先從線程池的submit分析。submit方法默認(rèn)實(shí)現(xiàn)在AbstractExecutorService，幾種實(shí)現(xiàn)源碼如下：

public Future<?> submit(Runnable task) { 
    if (task == null) throw new NullPointerException(); 
    RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null); 
    execute(ftask); 
    return ftask; 
} 
public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) { 
    if (task == null) throw new NullPointerException(); 
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result); 
    execute(ftask); 
    return ftask; 
} 
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) { 
    if (task == null) throw new NullPointerException(); 
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task); 
    execute(ftask); 
    return ftask; 
} 
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) { 
    return new FutureTask<T>(runnable, value); 
} 
public FutureTask(Runnable runnable, V result) { 
    this.callable = Executors.callable(runnable, result); 
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable 
} 

首先調(diào)用newTaskFor方法構(gòu)造FutureTask，然后調(diào)用execute把任務(wù)放進(jìn)線程池中，返回FutureTask

FutureTask.run()

public void run() { 
    //新建任務(wù)，CAS替換runner為當(dāng)前線程 
    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);//設(shè)置執(zhí)行結(jié)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);//處理中斷邏輯 
    } 
} 

運(yùn)行任務(wù)，如果任務(wù)狀態(tài)為NEW狀態(tài)，則利用CAS修改為當(dāng)前線程。執(zhí)行完畢調(diào)用set(result)方法設(shè)置執(zhí)行結(jié)果。 set(result)源碼如下

首先利用cas修改state狀態(tài)為

設(shè)置返回結(jié)果，然后使用 lazySet（UNSAFE.putOrderedInt）的方式設(shè)置state狀態(tài)為

結(jié)果設(shè)置完畢后，調(diào)用finishCompletion()喚醒等待線程

private void finishCompletion() { 
    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) { 
        if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {//移除等待線程 
            for (;;) {//自旋遍歷等待線程 
                Thread t = q.thread; 
                if (t != null) { 
                    q.thread = null; 
                    LockSupport.unpark(t);//喚醒等待線程 
                } 
                WaitNode next = q.next; 
                if (next == null) 
                    break; 
                q.next = null; // unlink to help gc 
                q = next; 
            } 
            break; 
        } 
    } 
    //任務(wù)完成后調(diào)用函數(shù)，自定義擴(kuò)展 
    done(); 
    callable = null;        // to reduce footprint 
} 

回到run方法，如果在 run 期間被中斷，此時(shí)需要調(diào)用handlePossibleCancellationInterrupt處理中斷邏輯，確保任何中斷（例如cancel(true)）只停留在當(dāng)前run或runAndReset的任務(wù)中

private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) { 
    //在中斷者中斷線程之前可能會(huì)延遲，所以我們只需要讓出CPU時(shí)間片自旋等待 
    if (s == INTERRUPTING) 
        while (state == INTERRUPTING) 
            Thread.yield(); // wait out pending interrupt 
} 

FutureTask.runAndReset()

runAndReset是 FutureTask另外一個(gè)任務(wù)執(zhí)行的方法，它不會(huì)返回執(zhí)行結(jié)果，而且在任務(wù)執(zhí)行完之后會(huì)重置stat的狀態(tài)為NEW，使任務(wù)可以多次執(zhí)行。 runAndReset的典型應(yīng)用是在 ScheduledThreadPoolExecutor 中，周期性的執(zhí)行任務(wù)。

FutureTask.get()

FutureTask 通過(guò)get()獲取任務(wù)執(zhí)行結(jié)果。如果任務(wù)處于未完成的狀態(tài)(state <= COMPLETING)，就調(diào)用awaitDone等待任務(wù)完成。任務(wù)完成后，通過(guò)report獲取執(zhí)行結(jié)果或拋出執(zhí)行期間的異常。

awaitDone(boolean timed, long nanos)

private int awaitDone(boolean timed, long nanos) 
    throws InterruptedException { 
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; 
    WaitNode q = null; 
    boolean queued = false; 
    for (;;) {//自旋 
        if (Thread.interrupted()) {//獲取并清除中斷狀態(tài) 
            removeWaiter(q);//移除等待WaitNode 
            throw new InterruptedException(); 
        } 
 
        int s = state; 
        if (s > COMPLETING) { 
            if (q != null) 
                q.thread = null;//置空等待節(jié)點(diǎn)的線程 
            return s; 
        } 
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet 
            Thread.yield(); 
        else if (q == null) 
            q = new WaitNode(); 
        else if (!queued) 
            //CAS修改waiter 
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, 
                                                 q.next = waiters, q); 
        else if (timed) { 
            nanos = deadline - System.nanoTime(); 
            if (nanos <= 0L) { 
                removeWaiter(q);//超時(shí)，移除等待節(jié)點(diǎn) 
                return state; 
            } 
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);//阻塞當(dāng)前線程 
        } 
        else 
            LockSupport.park(this);//阻塞當(dāng)前線程 
    } 
} 

awaitDone用于等待任務(wù)完成，或任務(wù)因?yàn)橹袛嗷虺瑫r(shí)而終止。返回任務(wù)的完成狀態(tài)。

1.如果線程被中斷，首先清除中斷狀態(tài)，調(diào)用removeWaiter移除等待節(jié)點(diǎn)，然后拋InterruptedException。removeWaiter源碼如下：

private void removeWaiter(WaitNode node) { 
    if (node != null) { 
        node.thread = null;//首先置空線程 
        retry: 
        for (;;) {          // restart on removeWaiter race 
            //依次遍歷查找 
            for (WaitNode pred = null, q = waiters, s; q != null; q = s) { 
                s = q.next; 
                if (q.thread != null) 
                    pred = q; 
                else if (pred != null) { 
                    pred.next = s; 
                    if (pred.thread == null) // check for race 
                        continue retry; 
                } 
                else if (!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,q, s)) //cas替換 
                    continue retry; 
            } 
            break; 
        } 
    } 
} 

2.如果當(dāng)前為結(jié)束態(tài)(state>COMPLETING),則根據(jù)需要置空等待節(jié)點(diǎn)的線程，并返回 Future 狀態(tài)

3.如果當(dāng)前為正在完成(COMPLETING)，說(shuō)明此時(shí) Future 還不能做出超時(shí)動(dòng)作，為任務(wù)讓出CPU執(zhí)行時(shí)間片

4.如果state為NEW，先新建一個(gè)WaitNode，然后CAS修改當(dāng)前waiters

5.如果等待超時(shí)，則調(diào)用removeWaiter移除等待節(jié)點(diǎn)，返回任務(wù)狀態(tài);如果設(shè)置了超時(shí)時(shí)間但是尚未超時(shí)，則park阻塞當(dāng)前線程

6.其他情況直接阻塞當(dāng)前線程

FutureTask.cancel(boolean mayInterruptIfRunning)

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) { 
    //如果當(dāng)前Future狀態(tài)為NEW，根據(jù)參數(shù)修改Future狀態(tài)為INTERRUPTING或CANCELLED 
    if (!(state == NEW && 
          UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, 
              mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED))) 
        return false; 
    try {    // in case call to interrupt throws exception 
        if (mayInterruptIfRunning) {//可以在運(yùn)行時(shí)中斷 
            try { 
                Thread t = runner; 
                if (t != null) 
                    t.interrupt(); 
            } finally { // final state 
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED); 
            } 
        } 
    } finally { 
        finishCompletion();//移除并喚醒所有等待線程 
    } 
    return true; 
} 

說(shuō)明：嘗試取消任務(wù)。如果任務(wù)已經(jīng)完成或已經(jīng)被取消，此操作會(huì)失敗。如果當(dāng)前Future狀態(tài)為NEW，根據(jù)參數(shù)修改Future狀態(tài)為INTERRUPTING或CANCELLED。如果當(dāng)前狀態(tài)不為NEW，則根據(jù)參數(shù)mayInterruptIfRunning決定是否在任務(wù)運(yùn)行中也可以中斷。中斷操作完成后，調(diào)用finishCompletion移除并喚醒所有等待線程。

示例

小結(jié)
本章重點(diǎn)：FutureTask 結(jié)果返回機(jī)制，以及內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變