Java多线程之Callable和Future

矫情吗；* 2022-05-20 01:41 270阅读 0赞

Callable异步执行，应该不会陌生，那么在java中是怎么用的呢？又是如何实现的？下面我们循序渐进，慢慢分析。   
先看一个例子，实现Callable接口，进行异步计算：

package com.demo;
    import java.util.concurrent.*;
    public class Demo {
    
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
            ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
            Future<String> future = executor.submit(new Callable<String>() {
                @Override
                public String call() throws Exception {
                    System.out.println("call");
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    return "str";
                }
            });
            System.out.println(future.get());
        }
    }

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这段代码是很简单的一种方式利用Callable进行异步操作，结果自己可以执行下。

## 如何实现异步 ##

在不阻塞当前线程的情况下计算，那么必然需要另外的线程去执行具体的业务逻辑，上面代码中可以看到，是把Callable放入了线程池中，等待执行，并且立刻返回futrue。可以猜想下，需要从Future中得到Callable的结果，那么Future的引用必然会被两个线程共享，一个线程执行完成后改变Future的状态位并唤醒挂起在get上的线程，到底是不是这样呢？

## 源码分析 ##

首先我们从任务提交开始，在AbstractExecutorService中的源码如下：

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

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可以看到Callable任务被包装成了RunnableFuture对象，通过了线程池的execute方法提交任务并且立刻返回对象本身，而线程池是接受Runnable，必然RunnableFuture继承了Runnable，我们看下其继承结构。   
![这里写图片描述][SouthEast]   
从继承中可以清楚的看到，FutureTask是Runnable和Future的综合。   
到这里我们应该有些头绪了，关键点应该在FutureTask对象上，线程池不过是提供一个线程运行FutureTask中的run方法罢了。

## FutureTask ##

从上面的分析，FutureTask被生产者和消费者共享，生产者运行run方法计算结果，消费者通过get方法获取结果，那么必然就需要通知，如何通知呢，肯定是状态位变化，并唤醒线程。   
**FutureTask状态**

//FutureTask类中用来保存状态的变量，下面常量就是具体的状态表示
        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;

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**run方法**

//我修剪后的代码，可以看出其逻辑，执行Callable的call方法获取结果
     public void run() {   
                Callable<V> c = callable;
                if (c != null && state == NEW) {
                    V result = c.call();
                    set(result);
                }
            }
            //把结果保存到属性字段中，finishCompletion是最后的操作，唤醒等待结果的线程
            protected void set(V v) {
            if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
                outcome = v;
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL);//正常结束设置状态为NORMAL
                finishCompletion();
            }
        }
        //waiters是FutureTask类的等待线程包装类，以链表的形式连接多个，WaitNode对象是在调用get方法时生成，并挂起get的调用者线程
         private void finishCompletion() {
            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); //唤醒get上等待的线程
                            if (next == null)
                            break;
                        }
                       break;
                }
            }
        }

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## 等待的线程 ##

为了清除的看到如何挂起get的线程，我们可以分析下get的源码

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
            int s = state;
            if (s <= COMPLETING)
                s = awaitDone(false, 0L); //会一直挂起知道处理业务的线程完成，唤醒等待线程
            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)//通过判断返回的状态是否为已完成做不同的处理
                throw new TimeoutException();
            return report(s);
        }
    private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
            throws InterruptedException {
            final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
            WaitNode q = null;
            boolean queued = false;
            for (;;) {
                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) {  //如果是超时的get那么会挂起一段时间
                    nanos = deadline - System.nanoTime();
                    if (nanos <= 0L) {//等待时间过后则会移除等待线程返回当前futureTask状态
                        removeWaiter(q);
                        return state;
                    }
                    LockSupport.parkNanos(this, nanos);
                }
                else
                    LockSupport.park(this);
            }
        }

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如果想搞明白可以自行研究下，这种经过优化的并发代码确实可读性差，基本原理就是生产者与消费者模型。

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