揭密FutureTask

在java多线程编程中，我们经常使用线程池提交任务，并且通过Future来获取任务执行的结果，以此达到异步或者并行执行的效果。在jdk1.7以前，FutureTask是Future唯一的实现类，1.7后加入了ForkJoinTask类。本文主要总结一下我对FutureTask的理解。

Future类

　　Future接口定义了5个方法，分别是　

 boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
 boolean isCancelled();
 boolean isDone();
 V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
 V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

分别介绍一下这五个接口的用途：

  • boolean cancel(boolean mayInterruptInRunning) 取消一个正在执行中的任务，并且返回调用结果。如果取消成功则返回true，反之返回false。这里要注意，即使方法返回true，当前任务也未必真的被取消了，后面会介绍。
  • boolean isCancelled() 返回当前任务是否被取消。
  • Boolean isDone() 返回当前任务是否执行完毕。这里done的概念比较广，包括了futureTask被执行后的任意状态，例如正常执行完毕、执行异常或者任务被取消。
  • V get() 这个接口就是用来获取futureTask执行结果,调用这个接口时会被阻塞，直到拿到结果或者异常。
  • V get(long timeout, TimeUnit unit) 这个接口多了一个超时时间，如果过了这个时间task仍然没有结果返回，则抛出timeout异常

写个demo便于理解

 1 public class FutureDemo {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
 4         Future future = executorService.submit(new Callable<Object>() {
 5             @Override
 6             public Object call() throws Exception {
 7                 Long start = System.currentTimeMillis();
 8                 while (true) {
 9                     Long current = System.currentTimeMillis();
10                     if ((current - start) > 1000) {
11                         return 1;
12                     }
13                 }
14             }
15         });
16
17         try {
18             Integer result = (Integer)future.get();
19             System.out.println(result);
20         }catch (Exception e){
21             e.printStackTrace();
22         }
23     }
24 }

　　　这里我们模拟了1s钟的CPU空转，当执行future.get()的时候，主线程阻塞了大约一秒后，把结果打印出来：1。

当然我们也可以使用V get(long timeout, TimeUnit unit)，这个方法提供了一个超时时间的设置，如果超过当前时间任务线程还未返回，那么就会停止阻塞状态，并且抛出一个timeout异常。如下

1         try {
2             Integer result = (Integer) future.get(500, TimeUnit.MILLISECONDS);
3             System.out.println(result);
4         } catch (Exception e) {
5             e.printStackTrace();
6         }

这里我们设置的超时时间是500毫秒，由于一开始我们模拟了1s的CPU计算时间，这里便会抛出超时异常，打印出堆栈信息

当然，如果我们把超时时间设置的长一些，还是可以得到预期的结果的。

FutureTask内部实现机制

　　刚我们测试了最常用的两个方法，接下来我们来探一探FutureTask的内部实现机制。首先我们看一下FutureTask的继承结构：

　　　　　　　　　　

FutureTask实现了RunnableFuture接口，而RunnableFuture继承了Runnable和Future，也就是说FutureTask既可以当做一个Runnable，也可以当做一个Future。

　　FutureTask内部定义了7个状态，代表了FutureTask当前所处状态。如下

    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;

当一个任务刚提交的时候，状态为NEW，由FutureTask的构造器可知：

public FutureTask(Callable<V> callable) {
        if (callable == null)
            throw new NullPointerException();
        this.callable = callable;
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

　　任务执行正常结束前，state会被设置成COMPLETING，代表任务即将完成，接下来很快就会被设置为NARMAL或者EXCEPTIONAL，这取决于调用Runnable中的call()方法是否抛出了异常。如果没有异常，则state设为NARMAL，反之为EXCEPTIONAL。

　　如果任务提交后，在任务执行结束之前调用cancel(boolean mayInterruptIfRunning) 取消任务，那么有可能进入到后3个状态。如果传入的参数是false，state会被置为CANCELLED，反之如果传入true，state先被置为INTERRUPTING，后被置为INTERRUPTED。

总结下，FutureTask的状态流转过程，可以出现以下三种状态：

1. 正常执行完毕。 NEW -> COMPLETING -> NORMAL

　　  2. 执行中出现异常。NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL

3. 任务执行过程中被取消，并且不响应中断。NEW -> CANCELLED

　　　4. 任务执行过程中被取消，并且响应中断。 NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED　　

　　那么以上状态为什么会这么流转呢？接下来我们一起扒一扒FutureTask的源码。我们从futureTask的方法看起。

1 public void run()

 1 public void run() {
 2         if (state != NEW ||
 3             !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
 4                                          null, Thread.currentThread()))
 5             return;
 6         try {
 7             Callable<V> c = callable;
 8             if (c != null && state == NEW) {
 9                 V result;
10                 boolean ran;
11                 try {
12                     result = c.call();
13                     ran = true;
14                 } catch (Throwable ex) {
15                     result = null;
16                     ran = false;
17                     setException(ex);
18                 }
19                 if (ran)
20                     set(result);
21             }
22         } finally {
23             // runner must be non-null until state is settled to
24             // prevent concurrent calls to run()
25             runner = null;
26             // state must be re-read after nulling runner to prevent
27             // leaked interrupts
28             int s = state;
29             if (s >= INTERRUPTING)
30                 handlePossibleCancellationInterrupt(s);
31         }
32     }

　　翻译一下，这个方法经历了以下几步

1. 校验Task状态和当前线程引用runner，如果state不为NEW或者runner引用为null，直接返回。

　　2. 调用runner的call()方法执行主逻辑，并且尝试获得返回值result。

　　3. 如果抛出异常，调用setException(Throwable t)方法

　　4. 如果没有异常，调用set(V v)方法

　　5. 一些扫尾工作

那么setException(Throwable t)和set(V v)做了什么呢？我们看一下源码

protected void set(V v) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = v;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

　　set(V v) 方法首先做一个CAS操作，将state字段由NEW->COMPLETING，这里的CAS操作读者可以自行百度原理。如果成功，那么把执行结果v赋给成员变量outcome，再把state的值设置为NORMAL，最后做一些清理工作，唤醒所有等待线程并把callable对象置为null。

 protected void setException(Throwable t) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = t;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

　　同理，setException(Throwable t) 方法大同小异，只不过state字段流转为NEW->COMPLETING->EXCEPTION。同时把异常对象赋予v。

　　这里我们就清楚了，当一个任务被提交后，状态流转中1、2是怎么来的了。同时我们可以确定，outcome变量，存着是执行结果或者抛出的异常对象。

2  public V get() throws InterruptionException,ExecutionException

get() 和 get(long timeout, TimeUnit unit)方法是获取执行结果的两个方法，我们这里就看get()方法即可。首先贴源码

　　

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L);
        return report(s);
    }

private V report(int s) throws ExecutionException {
        Object x = outcome;
        if (s == NORMAL)
            return (V)x;
        if (s >= CANCELLED)
            throw new CancellationException();
        throw new ExecutionException((Throwable)x);
    }

　　首先检查state值，如果小于COMPLETING，则阻塞，阻塞时可能会抛出异常，这里我们不纠结这个，往下看。如果没有抛出异常，获取执行后返回的state值，最后调用report(s)方法。接着我们看report方法，如果s为NORMAL，返回执行结果outcome，否则抛出异常。结合之前的run()方法，我们这里可以得出，如果主逻辑正常执行完毕，则返回执行结果，如果抛出异常，那么这里会封装该异常为ExecutionException并且抛出。如果任务执行过程中被取消了，则可能抛出CancellationException()。

3 public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)

　　这个方法个人认为是最具争议的方法。这里我们先贴个demo

　　

 1 public class FutureDemo {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         ThreadPoolExecutor executorService = (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(1);
 4         // 预创建线程
 5         executorService.prestartCoreThread();
 6
 7         Future future = executorService.submit(new Callable<Object>() {
 8             @Override
 9             public Object call() {
10                 System.out.println("start to run callable");
11                 Long start = System.currentTimeMillis();
12                 while (true) {
13                     Long current = System.currentTimeMillis();
14                     if ((current - start) > 1000) {
15                         System.out.println("当前任务执行已经超过1s");
16                         return 1;
17                     }
18                 }
19             }
20         });
21
22         System.out.println(future.cancel(false));
23
24         try {
25             Thread.currentThread().sleep(3000);
26             executorService.shutdown();
27         } catch (Exception e) {
28             //NO OP
29         }
30     }
31 }

我们多次测试后发现，出现了2种打印结果，如图

　　　　　　　　　　　　　　　　结果1

　　　　　　　　　　　　　　　　结果2　　　　

咦，两个结果和预期的都好像不太一样？第一种是任务压根没取消，第二种则是任务压根没提交成功，似乎和方法签名cancel不太一致？

我们先看一下方法签名上的作者注释

/** * Attempts to cancel execution of this task.  This attempt will * fail if the task has already completed, has already been cancelled, * or could not be cancelled for some other reason. If successful, * and this task has not started when <tt>cancel</tt> is called, * this task should never run.  If the task has already started, * then the <tt>mayInterruptIfRunning</tt> parameter determines * whether the thread executing this task should be interrupted in * an attempt to stop the task. * * <p>After this method returns, subsequent calls to {@link #isDone} will * always return <tt>true</tt>.  Subsequent calls to {@link #isCancelled} * will always return <tt>true</tt> if this method returned <tt>true</tt>. * * @param mayInterruptIfRunning <tt>true</tt> if the thread executing this * task should be interrupted; otherwise, in-progress tasks are allowed * to complete * @return <tt>false</tt> if the task could not be cancelled, * typically because it has already completed normally; * <tt>true</tt> otherwise */　  这里我们可以看到，"尝试"取消任务的执行，如果当前任务已经结束或者已经取消，则当前取消操作会失败。如果任务还没开始就被取消，那么任务则不会被执行。这里我们就知道了，如果任务还没开始执行时cancel(false)就被调用，那么这个任务是不会被执行的，这就解释了出现上图结果2的情况。那如果任务已经开始执行，并且调用cancel(false)，是不会终止任务的。我们还是从源码去分析cancel()究竟做了哪些事。
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
        if (state != NEW)
            return false;
        if (mayInterruptIfRunning) {
            if (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, INTERRUPTING))
                return false;
            Thread t = runner;
            if (t != null)
                t.interrupt();
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED); // final state
        }
        else if (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, CANCELLED))
            return false;
        finishCompletion();
        return true;
    }


　　执行逻辑如下


1. 如果当前futureTask状态不为NEW，直接返回false，表示取消操作失败。


　　2. 如果传入true，代表可能会引发线程中断。一个CAS操作，把状态由NEW->INTERRUPTING，如果执行失败则直接返回false。设置当前工作线程中断标识为true，然后把futureTask状态设置为INTERRUPTED。


　　3. 如果传入false，把futureTask状态设置为CANCELLED。


　　4. 做一些清理工作


可见，cancel()方法仅仅是改变了futureTask的状态位！如果传入的是false，当前任务是不会被终止的，而是会继续执行，直到异常或者执行完毕。如果传入的是true，会调用当前线程的interrupt()方法，把中断标志位设为true。所以cancel()方法其实个人理解是有歧义的，它并不能真正取消一个任务的执行。事实上，除非线程自己停止自己的任务，或者退出JVM，是没有其他方法完全终止一个线程的任务的。cancel(true)方法也只是希望当前线程可以响应中断而已，当线程被阻塞，抛出InterruptedException。同时，由之前的future.get()方法可知，如果一个futureTask被cancel()了，调用get()方法会抛出CancellationException。


总结


　　理解FutureTask，我们使用Future类才能更加得心应手。这里也只是作者自己的理解，如有不对之处，还望读者批评指正。


作者：mayday芋头


出处：http://www.cnblogs.com/maypattis/


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时间： 2024-08-05 05:21:15 

		


		


	

	
	

		


		
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