Java并发编程：Callable、Future和FutureTask原理解析

返回结果的任务Callable与Future

Executor框架使用Runnable作为其基本的任务表示形式。Runnable是一种有很大局限的抽象，它不能返回一个值或抛出一个受检查的异常。Runnable接口：

public interface Runnable {
public abstract void run();
}

由于run()方法返回值为void类型，所以在执行完任务之后无法返回任何结果。

许多任务实际上都是存在延迟的计算，对于这些任务，Callable是一种更好的抽象：它会返回一个值，并可能抛出一个异常。Callable接口：

public interface Callable<V> {
/**
* Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
*
* @return computed result
* @throws Exception if unable to compute a result
*/
V call() throws Exception;
}

可以看到，这是一个泛型接口，call()函数返回的类型就是传递进来的V类型。

Runnable和Callable描述的都是抽象的计算任务。这些任务通常是有生命周期的。Executor执行的任务有4个生命周期阶段：创建、提交、开始和完成。由于有些任务可能要执行很长时间，因此通常希望可以取消这些任务。在Executor框架中，已提交但尚未开始的任务可以取消，对于已经开始执行的任务，只有当它们响应中断时才能取消。

Future表示一个任务的生命周期，并提供了方法来判断是否已经完成或取消，以及获取任务的结果和取消任务等。Future接口：

public interface Future<V> {
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

boolean isCancelled();

boolean isDone();

V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

在Future接口中声明了5个方法，下面依次解释每个方法的作用：

cancel方法用来取消任务，如果取消任务成功则返回true，如果取消任务失败则返回false。参数mayInterruptIfRunning表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务，如果设置true，则表示可以取消正在执行过程中的任务。如果任务已经完成，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，此方法肯定返回false，即如果取消已经完成的任务会返回false；如果任务正在执行，若mayInterruptIfRunning设置为true，则返回true，若mayInterruptIfRunning设置为false，则返回false；如果任务还没有执行，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，肯定返回true。

isCancelled方法表示任务是否被取消成功，如果在任务正常完成前被取消成功，则返回 true。

isDone方法表示任务是否已经完成，若任务完成，则返回true；

get()方法用来获取执行结果，这个方法会产生阻塞，会一直等到任务执行完毕才返回；

get(long timeout, TimeUnit unit)用来获取执行结果，如果在指定时间内，还没获取到结果，就直接返回null。

也就是说实际上Future提供了三种功能：

判断任务是否完成；

中断任务；

获取任务执行结果。

Future与Callable的关系与ExecutorService与Executor的关系对应。

FutureTask

Future只是一个接口，无法直接创建对象，因此有了FutureTask。

我们先来看下FutureTask的实现：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

FutureTask类实现了RunnableFuture接口：

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
void run();
}

RunnableFuture继承了Runnable和Future接口，而FutureTask实现了RunnableFuture接口。

FutureTask的继承关系和方法如图所示：



FutureTask是一个可取消的异步计算，FutureTask 实现了Future的基本方法，提供start cancel 操作，可以查询计算是否已经完成，并且可以获取计算的结果。结果只可以在计算完成之后获取，get方法会阻塞当计算没有完成的时候，一旦计算已经完成， 那么计算就不能再次启动或是取消。

一个FutureTask 可以用来包装一个 Callable 或是一个Runnable对象。因为FurtureTask实现了Runnable方法，所以一个 FutureTask可以提交(submit)给一个Excutor执行(excution). 它同时实现了Callable, 所以也可以作为Future得到Callable的返回值。

FutureTask有两个很重要的属性分别是state和runner， FutureTask之所以支持canacel操作，也是因为这两个属性。

其中state为枚举值：

private volatile int state; // 注意volatile关键字
/**
* 在构建FutureTask时设置，同时也表示内部成员callable已成功赋值，
* 一直到worker thread完成FutureTask中的run();
*/
private static final int NEW = 0;

/**
* woker thread在处理task时设定的中间状态，处于该状态时，
* 说明worker thread正准备设置result.
*/
private static final int COMPLETING = 1;

/**
* 当设置result结果完成后，FutureTask处于该状态，代表过程结果，
* 该状态为最终状态final state,(正确完成的最终状态)
*/
private static final int NORMAL = 2;

/**
* 同上，只不过task执行过程出现异常，此时结果设值为exception
4000
,
* 也是final state
*/
private static final int EXCEPTIONAL = 3;

/**
* final state, 表明task被cancel（task还没有执行就被cancel的状态）.
*/
private static final int CANCELLED = 4;

/**
* 中间状态，task运行过程中被interrupt时，设置的中间状态
*/
private static final int INTERRUPTING = 5;

/**
* final state, 中断完毕的最终状态，几种情况，下面具体分析
*/
private static final int INTERRUPTED = 6;

state初始化为NEW。只有在set, setException和cancel方法中state才可以转变为终态。在任务完成期间，state的值可能为COMPLETING或INTERRUPTING。

state有四种可能的状态转换：

NEW -> COMPLETING -> NORMAL

NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL

NEW -> CANCELLED

NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED

其他成员变量：

/** The underlying callable; nulled out after running */
private Callable<V> callable;   // 具体run运行时会调用其方法call()，并获得结果，结果时置为null.

/** The result to return or exception to throw from get() */
private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes   没必要为votaile,因为其是伴随state 进行读写，而state是FutureTask的主导因素。

/** The thread running the callable; CASed during run() */
private volatile Thread runner;   //具体的worker thread.

/** Treiber stack of waiting threads */
private volatile WaitNode waiters;     //Treiber stack 并发stack数据结构，用于存放阻塞在该futuretask#get方法的线程。

注：Treiber算法可参见：Lock-Free 算法

下面分析下Task的状态变化，也就一个任务的生命周期：

创建一个FutureTask首先调用构造方法：

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
this.callable = Executors.callable(runnable, result);
this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

此时将state设置为初始态NEW。这里注意Runnable是怎样转换为Callable的，看下

this.callable = Executors.callable(runnable, result);

调用Executors.callable:

public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
if (task == null)
throw new NullPointerException();
return new RunnableAdapter<T>(task, result);
}

static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
final Runnable task;
final T result;
RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
this.task = task;
this.result = result;
}
public T call() {
task.run();
return result;
}
}

其实就是通过Callable的call方法调用Runnable的run方法，把传入的

T result

作为callable的返回结果；

当创建完一个Task通常会提交给Executors来执行，当然也可以使用Thread来执行，Thread的start()方法会调用Task的run()方法。看下FutureTask的run()方法的实现：

public void run() {
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);
}
} 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);
}
}

首先判断任务的状态，如果任务状态不是new，说明任务状态已经改变（说明他已经走了上面4种可能变化的一种，比如caller调用了cancel，此时状态为Interrupting, 也说明了上面的cancel方法，task没运行时，就interrupt, task得不到运行，总是返回）；

如果状态是new, 判断runner是否为null, 如果为null, 则把当前执行任务的线程赋值给runner，如果runner不为null, 说明已经有线程在执行，返回。此处使用cas来赋值worker thread是保证多个线程同时提交同一个FutureTask时，确保该FutureTask的run只被调用一次， 如果想运行多次，使用runAndReset()方法。

这里

!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,                                   null, Thread.currentThread())

语义相当于

if (this.runner == null ){
this.runner = Thread.currentThread();
}

使用compareAndSwap能够保证原子性。关于compareAndSwap的相关内容，可参看：http://huangyunbin.iteye.com/blog/1942369

接着开始执行任务，如果要执行的任务不为空，并且state为New就执行，可以看到这里调用了Callable的call方法。如果执行成功则set结果，如果出现异常则setException。最后把runner设为null。

接着看下set方法：

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

如果现在的状态是NEW就把状态设置成COMPLETING，然后设置成NORMAL。这个执行流程的状态变化就是： NEW->COMPLETING->NORMAL。

最后执行finishCompletion()方法：

private void finishCompletion() {
// assert state > COMPLETING;
for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
for (;;) {
Thread t = q.thread;
if (t != null) {
q.thread = null;
LockSupport.unpark(t);
}
WaitNode next = q.next;
if (next == null)
break;
q.next = null; // unlink to help gc
q = next;
}
break;
}
}

done();

callable = null;        // to reduce footprint
}

finishCompletion()会解除所有阻塞的worker thread， 调用done()方法，将成员变量callable设为null。这里使用了LockSupport类来解除线程阻塞，关于LockSupport，可参见：LockSupport的park和unpark的基本使用,以及对线程中断的响应性

接下来分析FutureTask非常重要的get方法:

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

首先判断FutureTask的状态是否为完成状态，如果是完成状态，说明已经执行过set或setException方法，返回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);
}

可以看到，如果FutureTask的状态是NORMAL, 即正确执行了set方法，get方法直接返回处理的结果， 如果是取消状态，即执行了setException，则抛出CancellationException异常。

如果get时,FutureTask的状态为未完成状态，则调用awaitDone方法进行阻塞。awaitDone():

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException {
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
WaitNode q = null;
boolean queued = false;
for (;;) {
if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}

int s = state;
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
else if (q == null)
q = new WaitNode();
else if (!queued)
queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q.next = waiters, q);
else if (timed) {
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
removeWaiter(q);
return state;
}
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
else
LockSupport.park(this);
}
}

awaitDone方法可以看成是不断轮询查看FutureTask的状态。在get阻塞期间：

如果执行get的线程被中断，则移除FutureTask的所有阻塞队列中的线程（waiters）,并抛出中断异常；

如果FutureTask的状态转换为完成状态（正常完成或取消），则返回完成状态；

如果FutureTask的状态变为COMPLETING, 则说明正在set结果，此时让线程等一等；

如果FutureTask的状态为初始态NEW，则将当前线程加入到FutureTask的阻塞线程中去；

如果get方法没有设置超时时间，则阻塞当前调用get线程；如果设置了超时时间，则判断是否达到超时时间，如果到达，则移除FutureTask的所有阻塞列队中的线程，并返回此时FutureTask的状态，如果未到达时间，则在剩下的时间内继续阻塞当前线程。

注：本文源码基于JDK1.7。（1.6通过AQS实现）