FutureTask 在線程池中應用和源碼解析
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來源：hcy0411 ，
www.jianshu.com/p/1fac6476e85f
FutureTask 是一個支持取消的非同步處理器，一般在線程池中用於非同步接受callable返回值。
主要實現分三部分：
封裝 Callable，然後放到線程池中去非同步執行->run。
獲取結果-> get。
取消任務-> cancel。
接下來主要學習下該模型如何實現。
舉例說明FutureTask在線程池中的應用
// 第一步，定義線程池，
ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(
minPoolSize,
maxPollSize,
keepAliveTime,
TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<>());
// 第二步，放到線程池中執行，返回FutureTask
FutureTask task = executor.submit(callable);
// 第三步，獲取返回值
T data = task.get();
學習FutureTask實現
類屬性
//以下是FutureTask的各種狀態
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;
private Callable<V> callable; //執行的任務
private Object outcome; //存儲結果或者異常
private volatile Thread runner;//執行callable的線程
private volatile WaitNode waiters; //調用get方法等待獲取結果的線程棧
其中各種狀態存在 最終狀態 status>COMPLETING
1）NEW -> COMPLETING -> NORMAL（有正常結果）
2） NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL（結果為異常）
3） NEW -> CANCELLED（無結果）
4） NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED（無結果）
類方法
從上面舉例說明開始分析。
run()方法
FutureTask 繼承 Runnable，ExecutorService submit 把提交的任務封裝成 FutureTask 然後放到線程池 ThreadPoolExecutor 的 execute 執行。
public void run() {
//如果不是初始狀態或者cas設置運行線程是當前線程不成功，直接返回
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 {
// 執行callable任務 這裡對異常進行了catch
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
setException(ex); // 封裝異常到outcome
}
if (ran)
set(result);
}
} finally {
runner = null;
int s = state;
// 這裡如果是中斷中，設置成最終狀態
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
}
以上是 run 方法源碼實現很簡單，解析如下：
如果不是始狀態或者 cas 設置運行線程是當前線程不成功，直接返回，防止多個線程重複執行。
執行 Callable 的 call()，即提交執行任務（這裡做了catch，會捕獲執行任務的異常封裝到 outcome 中）。
如果成功執行 set 方法，封裝結果。
set 方法
protected void set(V v) {
//cas方式設置成completing狀態，防止多個線程同時處理
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
outcome = v; // 封裝結果
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // 最終設置成normal狀態
finishCompletion();
}
}
解析如下：
cas方式設置成completing狀態，防止多個線程同時處理
封裝結果到outcome，然後設置到最終狀態normal
執行finishCompletion方法。
finishCompletion方法
// state > COMPLETING; 不管異常，中斷，還是執行完成，都需要執行該方法來喚醒調用get方法阻塞的線程
private void finishCompletion() {
// assert state > COMPLETING;
for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
// cas 設置waiters為null，防止多個線程執行。
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
// 循環喚醒所有等待結果的線程
for (;;) {
Thread t = q.thread;
if (t != null) {
q.thread = null;
//喚醒線程
LockSupport.unpark(t);
}
WaitNode next = q.next;
if (next == null)
break;
q.next = null; // unlink to help gc
q = next;
}
break;
}
}
//該方法為空，可以被重寫
done();
callable = null; // to reduce footprint
}
解析如下：
遍歷waiters中的等待節點，並通過 LockSupport 喚醒每一個節點，通知每個線程，該任務執行完成（可能是執行完成，也可能 cancel，異常等）。
以上就是執行的過程，接下來分析獲取結果的過程->get。
get 方法
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}
public V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
if (unit == null)
throw new NullPointerException();
int s = state;
if (s <= COMPLETING &&
(s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
throw new TimeoutException();
return report(s);
}
解析如下：
以上兩個方法，原理一樣，其中一個設置超時時間，支持最多阻塞多長時間。
狀態如果小於 COMPLETING，說明還沒到最終狀態，（不管是否是成功、異常、取消）。
調用 awaitDone 方法阻塞線程，最終調用 report 方法返回結果。
awaitDone 方法
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException {
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
WaitNode q = null;
boolean queued = false;
for (;;) {
//線程可中斷，如果當前阻塞獲取結果線程執行interrupt()方法，則從隊列中移除該節點，並拋出中斷異常
if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}
int s = state;
// 如果已經是最終狀態，退出返回
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
//這裡做了個優化，competiting到最終狀態時間很短，通過yield比掛起響應更快。
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
// 初始化該阻塞節點
else if (q == null)
q = new WaitNode();
// cas方式寫到阻塞waiters棧中
else if (!queued)
queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q.next = waiters, q);
// 這裡做阻塞時間處理。
else if (timed) {
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
removeWaiter(q);
return state;
}
// 阻塞線程，有超時時間
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
else
// 阻塞線程
LockSupport.park(this);
}
}
解析如下：
整體流程已寫到註解中，整體實現是放在一個死循環中，唯一出口，是達到最終狀態。
然後是構建節點元素，並將該節點入棧，同時阻塞當前線程等待運行主任務的線程喚醒該節點。
report 方法
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);
}
然後是report方法，如果是正常結束，返回結果，如果不是正常結束（取消，中斷）拋出異常。
最後分析下取消流程。
cancel 方法
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
if (!(state == NEW &&
UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
return false;
try { // in case call to interrupt throws exception
if (mayInterruptIfRunning) {
try {
Thread t = runner;
if (t != null)
t.interrupt();
} finally { // final state
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
}
}
} finally {
finishCompletion();
}
return true;
}
解析如下：
mayInterruptIfRunning參數是是否允許運行中被中斷取消。
根據入參是否為true，CAS設置狀態為INTERRUPTING或CANCELLED，設置成功，繼續第二步，否則直接返回false。
如果允許運行中被中斷取消，調用runner.interupt()進行中斷取消，設置狀態為INTERRUPTED。
喚醒所有在get()方法等待的線程。
此處有兩種狀態轉換：
如果mayInterruptIfRunning為true：status狀態轉換為 new -> INTERRUPTING->INTERRUPTED。主動去中斷執行線程，然後喚醒所有等待結果的線程。
如果mayInterruptIfRunning為false：status狀態轉換為 new -> CANCELLED。
不會去中斷執行線程，直接喚醒所有等待結果的線程，從 awaitDone 方法中可以看到，喚醒等待線程後，直接從跳轉回 get 方法，然後把結果返回給獲取結果的線程，當然此時的結果是 null。
總結
以上就是 FutureTask 的源碼簡單解析，實現比較簡單，FutureTask 就是一個實現 Future 模式，支持取消的非同步處理器。
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