java.util.concurrent解析——FutureTask源码解析
来源:互联网 发布:whatsapp mac版 编辑:程序博客网 时间:2024/05/18 02:21
1. Runnable、Callable、Future、FutureTask的区别与联系
和Java异步打交道就不能回避掉Runnable
,Callable
,Future
,FutureTask
等类,首先来介绍下这几个类的区别。
1.1 Runnable
Runnable接口是我们最熟悉的,它只有一个run函数。然后使用某个线程去执行该runnable即可实现多线程,Thread类在调用start()函数后就是执行的是Runnable的run()函数。Runnable最大的缺点在于run函数没有返回值。
1.2 Callable
Callable接口和Runnable接口类似,它有一个call函数。使用某个线程执行Callable接口实质就是执行其call函数。call方法和run方法最大的区别就是call方法有返回值:
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; }
1.3 Future
Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果、设置结果操作。get
方法会阻塞,直到任务返回结果(Future简介)。
1.4 FutureTask
Future只是一个接口,在实际使用过程中,诸如ThreadPoolExecutor返回的都是一个FutureTask实例。
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> { /** * Sets this Future to the result of its computation * unless it has been cancelled. */ void run(); }
可以看到,FutureTask是一个RunnableFuture,而RunnableFuture实现了Runnbale又实现了Futrue这两个接口。
2 FutureTask的构造过程
事实上,通过ExecutorService接口的相关submit方法,实际上都是提交的Callable或者Runnable,包装成一个FutureTask对象。
public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService { ... //将Runable包装成FutureTask之后,再调用execute方法 public Future<?> submit(Runnable task) { if (task == null) throw new NullPointerException(); RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null); execute(ftask); return ftask; } //调用newTaskFor方法,利用Callable构造一个FutureTask对象 protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) { return new FutureTask<T>(callable); }}
可以看到AbstractExecutorService
的submit方法调用后返回的就是一个FutureTask对象,接下来看下FutureTask的构造方法:
//接受Callable对象作为参数public FutureTask(Callable<V> callable) { if (callable == null) throw new NullPointerException(); this.callable = callable; this.state = NEW; }//接受Runnable对象作为参数public FutureTask(Runnable runnable, V result) { this.callable = Executors.callable(runnable, result);//将Runnable转为Callable对象 this.state = NEW; }//callable方法,将Runnable转为一个Callable对象,包装设计模式public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) { if (task == null) throw new NullPointerException(); return new RunnableAdapter<T>(task, result);}//RunnableAdapter是Executors的一个内部类,实现了Callable接口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; }}
可以看到,构造FutureTask时,无论传入的是Runnable还是Callable,最终都实现了Callable接口。
3 FutureTask主要成员
接下来看下FutureTask类的主要成员变量:
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> { /* * FutureTask中定义了一个state变量,用于记录任务执行的相关状态 ,状态的变化过程如下 * NEW -> COMPLETING -> NORMAL * NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL * NEW -> CANCELLED * NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED */ private volatile int state; //主流程状态 private static final int NEW = 0; //当FutureTask实例刚刚创建到callbale的call方法执行完成前,处于此状态 private static final int COMPLETING = 1; //callable的call方法执行完成或出现异常时,首先进行此状态 private static final int NORMAL = 2;//callable的call方法正常结束时,进入此状态,将outcom设置为正常结果 private static final int EXCEPTIONAL = 3;//callable的call方法异常结束时,进入此状态,将outcome设置为抛出的异常 //取消任务执行时可能处于的状态 private static final int CANCELLED= 4;// FutureTask任务尚未执行,即还在任务队列的时候,调用了cancel方法,进入此状态 private static final int INTERRUPTING = 5;// FutureTask的run方法已经在执行,收到中断信号,进入此状态 private static final int INTERRUPTED = 6;// 任务成功中断后,进入此状态 private Callable<V> callable;//需要执行的任务,提示:如果提交的是Runnable对象,会先转换为Callable对象,这是构造方法参数 private Object outcome; //任务运行的结果 private volatile Thread runner;//执行此任务的线程 //等待该FutureTask的线程链表,对于同一个FutureTask,如果多个线程调用了get方法,对应的线程都会加入到waiters链表中,同时当FutureTask执行完成后,也会告知所有waiters中的线程 private volatile WaitNode waiters; ......}
FutureTask的成员变量并不复杂,主要记录以下几部分信息:
- 状态
- 任务(callable)
- 结果(outcome)
- 等待线程(waiters)
4 FutureTask的执行过程
4.1 run
接下来开始看一个FutureTask的执行过程,FutureTask执行任务的方法当然还是run方法:
public void run() { //保证callable任务只被运行一次 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 { //执行任务 result = c.call(); ran = true; } catch (Throwable ex) { result = null; ran = false; setException(ex); } if (ran) set(result); } } finally { runner = null; int s = state; //判断该任务是否正在响应中断,如果中断没有完成,则等待中断操作完成 if (s >= INTERRUPTING) handlePossibleCancellationInterrupt(s); }}
- 如果状态不为new或者运行线程runner失败,说明当前任务已经被其他线程启动或者已经被执行过,直接返回false
- 调用call方法执行核心任务逻辑。如果调用成功则执行set(result)方法,将state状态设置成NORMAL。如果调用失败抛出异常则执行setException(ex)方法,将state状态设置成EXCEPTIONAL,唤醒所有在get()方法上等待的线程
- 如果当前状态为INTERRUPTING(步骤2已CAS失败),则一直调用Thread.yield()直至状态不为INTERRUPTING
4.2 set、setException方法
protected void set(V v) { if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { outcome = v; UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state finishCompletion(); }}protected void setException(Throwable t) { if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { outcome = t; UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state finishCompletion(); }}
两个方法的逻辑基本一致,先通过CAS操作将状态从NEW置为COMPLETING,然后再将最终状态分别置为NORMAL或者EXCEPTIONAL,最后再调用finishCompletion方法。
4.3 finishCompletion
private void finishCompletion() { for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) { //通过CAS把栈顶的元素置为null,相当于弹出栈顶元素 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的逻辑也比较简单:
- 遍历waiters链表,取出每一个节点:每个节点都代表一个正在等待该FutureTask结果(即调用过get方法)的线程
- 通过 LockSupport.unpark(t)唤醒每一个节点,通知每个线程,该任务执行完成
4.4 get
在finishCompletion方法中,FutureTask会通知waiters链表中的每一个等待线程,那么这些线程是怎么被加入到waiters链表中的呢?上文已经讲过,当在一个线程中调用了get方法,该线程就会被加入到waiters链表中。所以接下来看下get方法:
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);}
get方法很简答,主要就是调用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 (;;) { //如果该线程执行interrupt()方法,则从队列中移除该节点,并抛出异常 if (Thread.interrupted()) { removeWaiter(q); throw new InterruptedException(); } int s = state; //如果state状态大于COMPLETING 则说明任务执行完成,或取消 if (s > COMPLETING) { if (q != null) q.thread = null; return s; } //如果state=COMPLETING,则使用yield,因为此状态的时间特别短,通过yield比挂起响应更快。 else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet Thread.yield(); //构建节点 else if (q == null) q = new WaitNode(); //把当前节点入栈 else if (!queued) queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q.next = waiters, q); //如果需要阻塞指定时间,则使用LockSupport.parkNanos阻塞指定时间 //如果到指定时间还没执行完,则从队列中移除该节点,并返回当前状态 else if (timed) { nanos = deadline - System.nanoTime(); if (nanos <= 0L) { removeWaiter(q); return state; } LockSupport.parkNanos(this, nanos); } //阻塞当前线程 else LockSupport.park(this); }}
整个方法的大致逻辑主要分为以下几步:
- 如果当前状态值大于COMPLETING,说明已经执行完成或者取消,直接返回
- 如果state=COMPLETING,则使用yield,因为此状态的时间特别短,通过yield比挂起响应更快
- 如果当前线程是首次进入循环,为当前线程创建wait节点加入到waiters链表中
- 根据是否定时将当前线程挂起(
LockSupport.parkNanos
LockSupport.park
)来阻塞当前线程,直到超时或者线程被finishCompletion方法唤醒 - 当线程挂起超时或者被唤醒后,重新循环执行上述逻辑
get方法是FutureTask中的关键方法,了解了get方法逻辑也就了解为什么当调用get方法时线程会被阻塞直到任务运行完成。
4.5 cancel
cancel方法用于结束当前任务:
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;}
- 根据mayInterruptIfRunning是否为true,CAS设置状态为INTERRUPTING或CANCELLED,设置成功,继续第二步,否则返回false
- 如果mayInterruptIfRunning为true,调用runner.interupt(),设置状态为INTERRUPTED
- 唤醒所有在get()方法等待的线程
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