java线程-如何优雅地获取线程的执行结果

╰+攻爆jí腚メ 2023-10-13 20:48 19阅读 0赞

## 为什么要使用Future ##

线程获取到运行结果有几种方式

java复制代码public class Sum {
      private Sum(){}
      public static int sum(int n){
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < n; i++) {
          sum += n;
        }
        return sum;
      }
    }

**Thread.sleep()**

java复制代码private static int sum_sleep = 0;
    Thread thread = new Thread(() -> sum_sleep = Sum.sum(100));
    thread.start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    System.out.printf("get result by thread.sleep: %d\n", sum_sleep);

使用sleep()方法获取，这种方法，有不可控性，也许sleep1秒钟，但是线程还没有执行完成，可能会导致获取到的结果不准确。

**Thread.join()**

java复制代码private static int sum_join = 0;
    Thread thread = new Thread(() -> sum_join = Sum.sum(100));
    thread.start();
    thread.join();
    System.out.printf("get result by thread.join: %d\n", sum_join);

**循环**

java复制代码private static int sum_loop = 0;
    private static volatile boolean flag;
    
    Thread thread = new Thread(() -> {
      sum_loop = Sum.sum(100);
      flag = true;
    });
    thread.start();
    int i = 0;
    while (!flag) {
      i++;
    }
    System.out.printf("get result by loopLock: %d\n", sum_loop);

**notifyAll() / wait()**

java复制代码private static class NotifyAndWaitTest {
    
        private Integer sum = null;
    
        private synchronized void sum_wait_notify() {
          sum = Sum.sum(100);
          notifyAll();
        }
    
        private synchronized Integer getSum() {
          while (sum == null) {
            try {
              wait();
            } catch (Exception e) {
              e.printStackTrace();
            }
          }
          return sum;
        }
    }
    private static void getResultByNotifyAndWait() throws Exception {
        NotifyAndWaitTest test = new NotifyAndWaitTest();
        new Thread(test::sum_wait_notify).start();
        System.out.printf("get result by NotifyAndWait: %d\n", test.getSum());
    }

**Lock & Condition**

java复制代码private static class LockAndConditionTest {
    
        private Integer sum = null;
        private final Lock lock = new ReentrantLock();
        private final Condition condition = lock.newCondition();
    
        public void sum() {
          try {
            lock.lock();
            sum = Sum.sum(100);
            condition.signalAll();
          } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
          } finally {
            lock.unlock();
          }
        }
    
        public Integer getSum() {
          try {
            lock.lock();
            while (Objects.isNull(sum)) {
              try {
                condition.await();
              } catch (Exception e) {
                throw new RuntimeException(e);
              }
            }
          } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
          } finally {
            lock.unlock();
          }
          return sum;
        }
    }
    
    private static void getResultByLockAndCondition() throws Exception {
      LockAndConditionTest test = new LockAndConditionTest();
      new Thread(test::sum).start();
      System.out.printf("get result by lock and condition: %d\n", test.getSum());
    }

**BlockingQueue**

java复制代码BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(1);
    new Thread(() -> queue.offer(Sum.sum(100))).start();
    System.out.printf("get result by blocking queue: %d\n", queue.take());

**CountDownLatch**

java复制代码private static int sum_countDownLatch = 0;
    
    private static void getResultByCountDownLatch() {
      CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
    
      new Thread(
              () -> {
                sum_countDownLatch = Sum.sum(100);
                latch.countDown();
              })
          .start();
      try {
        latch.await();
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
      System.out.printf("get result by countDownLatch: %d\n", sum_countDownLatch);
    }

**CyclicBarrier**

java复制代码private static int sum_cyclicBarrier = 0;
    
    private static void getResultByCycleBarrier() {
      CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(2);
      new Thread(
        () -> {
          sum_cyclicBarrier = Sum.sum(100);
          try {
            cyclicBarrier.await();
          } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
          }
        })
        .start();
      try {
        cyclicBarrier.await();
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
      System.out.printf("get result by cyclicBarrier: %d\n", sum_cyclicBarrier);
    }

**Semaphore**

java复制代码private static int sum_semaphore = 0;
    private static void getResultBySemaphore() {
      Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
      new Thread(
        () -> {
          sum_semaphore = Sum.sum(100);
          semaphore.release();
        })
        .start();
    
      try {
        semaphore.acquire();
        System.out.printf("get result by semaphore: %d\n", sum_semaphore);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }

上面提到的获取线程执行结果的方法，暂时基于之前学到的内容，我只能想到这些。这些实现方式也不是很优雅，不是最佳实践。

线程池，利用ThreadPoolExecutor的execute(Runnable command)方法，利用这个方法虽说可以提交任务，但是却没有办法获取任务执行结果。

那么我们如果需要获取任务的执行结果并且优雅的实现，可以通过Future接口和Callable接口配合实现， 本文将会通过具体的例子讲解如何使用Future。

Future最主要的作用是，比如当做比较耗时运算的时候，如果我们一直在原地等待方法返回，显然是不明智的，整体程序的运行效率会大大降低。我们可以把运算的过程放到子线程去执行，再通过Future去控制子线程执行的计算过程，最后获取到计算结果。这样一来就可以把整个程序的运行效率提高，是一种异步的思想。

## 如何使用Future ##

要想使用Future首先得先了解一下Callable。Callable 接口相比于 Runnable 的一大优势是可以有返回结果，那这个返回结果怎么获取呢？就可以用 Future 类的 get 方法来获取 。因此，Future 相当于一个存储器，它存储了 Callable 的call方法的任务结果。

一般情况下，Future，Callable，ExecutorService是一起使用的，ExecutorService里相关的代码如下：

java复制代码// 提交 Runnable 任务
    // 由于Runnable接口的run方法没有返回值，所以，Future仅仅是用来断言任务已经结束，有点类似join();
    Future<?> submit(Runnable task);
    // 提交 Callable 任务
    // Callable里的call方法是有返回值的，所以这个方法返回的Future对象可以通过调用其get()方法来获取任务的执
    //行结果。
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
    // 提交 Runnable 任务及结果引用  
    // Future的返回值就是传给submit()方法的参数result。
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

具体使用方法如下：

java复制代码ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
    Future<Integer> future = executor.submit(() -> Sum.sum(100));
    
    System.out.printf("get result by Callable + Future: %d\n", future.get());
    executor.shutdown();

## Future实现原理 ##

## Future基本概述 ##

Future接口5个方法：

java复制代码// 取消任务
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    // 判断任务是否已取消  
    boolean isCancelled();
    // 判断任务是否已结束
    boolean isDone();
    // 获得任务执行结果 阻塞，被调用时，如果任务还没有执行完，那么调用get()方法的线程会阻塞。直到任务执行完
    // 才会被唤醒
    get();
    // 获得任务执行结果，支持超时
    get(long timeout, TimeUnit unit);

*  cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：
    
     *  用来取消异步任务的执行。
     *  如果异步任务已经完成或者已经被取消，或者由于某些原因不能取消，则会返回false。
     *  如果任务还没有被执行，则会返回true并且异步任务不会被执行。
     *  如果任务已经开始执行了但是还没有执行完成，若mayInterruptIfRunning为true，则会立即中断执行任务的线程并返回true，若mayInterruptIfRunning为false，则会返回true且不会中断任务执行线程。
 *  isCanceled()：
    
     *  判断任务是否被取消。
     *  如果任务在结束(正常执行结束或者执行异常结束)前被取消则返回true，否则返回false。
 *  isDone()：
    
     *  ·判断任务是否已经完成，如果完成则返回true，否则返回false。
     *  任务执行过程中发生异常、任务被取消也属于任务已完成，也会返回true。
 *  get()：
    
     *  获取任务执行结果，如果任务还没完成则会阻塞等待直到任务执行完成。
     *  如果任务被取消则会抛出CancellationException异常。
     *  如果任务执行过程发生异常则会抛出ExecutionException异常。
     *  如果阻塞等待过程中被中断则会抛出InterruptedException异常。
 *  get(long timeout,Timeunit unit):
    
     *  带超时时间的get()版本，上面讲述的get()方法，同样适用这里。
     *  如果阻塞等待过程中超时则会抛出TimeoutException异常。

使用IDEA，查看Future的实现类其实有很多，比如FutureTask，ForkJoinTask，CompletableFuture等，其余基本是继承了ForkJoinTask实现的内部类。

![79ef790ec04a4cc6bd949b583b5aece][]

本篇文章主要讲解FutureTask的实现原理

## FutureTask基本概述 ##

FutureTask 为 Future 提供了基础实现，如获取任务执行结果(get)和取消任务(cancel)等。如果任务尚未完成，获取任务执行结果时将会阻塞。一旦执行结束，任务就不能被重启或取消(除非使用runAndReset执行计算)。FutureTask 常用来封装 Callable 和 Runnable，也可以作为一个任务提交到线程池中执行。除了作为一个独立的类之外，此类也提供了一些功能性函数供我们创建自定义 task 类使用。FutureTask 的线程安全由CAS来保证。

java复制代码// 创建 FutureTask
    FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(()-> 1+2);
    // 创建线程池
    ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
    // 提交 FutureTask 
    es.submit(futureTask);
    // 获取计算结果
    Integer result = futureTask.get();

java复制代码// 创建 FutureTask
    FutureTask<Integer> futureTask
      = new FutureTask<>(()-> 1+2);
    // 创建并启动线程
    Thread T1 = new Thread(futureTask);
    T1.start();
    // 获取计算结果
    Integer result = futureTask.get();

FutureTask可以很容易获取子线程的执行结果。

## FutureTask实现原理 ##

## 构造函数 ##

java复制代码public FutureTask(Callable<V> callable) {
      if (callable == null)
        throw new NullPointerException();
      this.callable = callable;
      this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }
    
    public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
      this.callable = Executors.callable(runnable, result);
      this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

FutureTask提供了两个构造器

*  Callable接口有返回，将callable赋值给this.callable。

*  Runnable接口无返回，如果想要获取到执行结果，需要传V result给FutureTask，FutureTask将Runnable和result封装成Callable，再将callable赋值给this.callable。
 *  状态初始化状态为NEW

FutureTask**内置状态**有：

java复制代码private volatile int state; // 可见性
    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;

*  NEW 初始状态
 *  COMPLETING 任务已经执行完(正常或者异常)，准备赋值结果，但是这个状态会时间会比较短，属于中间状态。
 *  NORMAL 任务已经**正常**执行完，并已将任务返回值赋值到结果
 *  EXCEPTIONAL 任务执行失败，并将异常赋值到结果
 *  CANCELLED 取消
 *  INTERRUPTING 准备尝试中断执行任务的线程
 *  INTERRUPTED 对执行任务的线程进行中断(未必中断到)

**状态转换**：

![Future状态转移.png][Future_.png]

![get_code_ZTJjYzZmOTcwYTg4YmNmZTA5NzlhYjQ5MzQzYzY5MDQsMTY4OTgyMzYwODUxMg][]

## run()执行流程 ##

java复制代码public void run() {
        if (state != NEW ||
            !RUNNER.compareAndSet(this, 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);
        }
    }

![format_png][]

**set()**

java复制代码protected void set(V v) {
        // state变量，通过CAS操作，将NEW->COMPLETING
        if (STATE.compareAndSet(this, NEW, COMPLETING)) {
            // 将结果赋值给outcome属性
            outcome = v;
            // state状态直接赋值为NORMAL，不需要CAS
            STATE.setRelease(this, NORMAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

**setException()**

java复制代码protected void setException(Throwable t) {
        // state变量，通过CAS操作，将NEW->COMPLETING
        if (STATE.compareAndSet(this, NEW, COMPLETING)) {
            // 将异常赋值给outcome属性
            outcome = t;
            // state状态直接赋值为EXCEPTIONAL，不需要CAS
            STATE.setRelease(this, EXCEPTIONAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

**finishCompletion()**

set()和setException()两个方法最后都调用了finishCompletion()方法，完成一些善后工作，具体流程如下：

java复制代码private void finishCompletion() {
        // assert state > COMPLETING;
        for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
            // 移除等待线程
            if (WAITERS.weakCompareAndSet(this, q, null)) {
                // 自旋遍历等待线程
                for (;;) {
                    Thread t = q.thread;
                    if (t != null) {
                        q.thread = null;
                        // 唤醒等待线程
                        LockSupport.unpark(t);
                    }
                    WaitNode next = q.next;
                    if (next == null)
                        break;
                    q.next = null; // unlink to help gc
                    q = next;
                }
                break;
            }
        }
        // 任务完成后调用函数，自定义扩展
        done();
    
        callable = null;        // to reduce footprint
    }

**handlePossibleCancellationInterrupt()**

java复制代码private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) {
        if (s == INTERRUPTING)
            // 在中断者中断线程之前可能会延迟，所以我们只需要让出CPU时间片自旋等待
            while (state == INTERRUPTING)
                Thread.yield(); // wait out pending interrupt
    }

## get()执行流程 ##

java复制代码public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
            // awaitDone用于等待任务完成，或任务因为中断或超时而终止。返回任务的完成状态。
            s = awaitDone(false, 0L);
        return report(s);
    }

具体流程：

![FutureTask-执行get().png][FutureTask-_get_.png]

![get_code_Y2U5NmRmZjk4MjYxYTE2MmE0NjY5ZTllYzgwNTUyN2YsMTY4OTgyMzYwODUxMg][]

**awaitDone()**

java复制代码private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
        long startTime = 0L;    // Special value 0L means not yet parked
        WaitNode q = null;
        boolean queued = false;
        for (;;) {
            // 获取到当前状态
            int s = state;
            // 如果当前状态不为NEW或者COMPLETING
            if (s > COMPLETING) {
                if (q != null)
                    q.thread = null;
                // 直接返回state
                return s;
            }
            // COMPLETING是一个很短暂的状态，调用Thread.yield期望让出时间片，之后重试循环。
            else if (s == COMPLETING)
                Thread.yield();
            // 如果阻塞线程被中断则将当前线程从阻塞队列中移除
            else if (Thread.interrupted()) {
                removeWaiter(q);
                throw new InterruptedException();
            }
            
            //  新进来的线程添加等待节点
            else if (q == null) {
                if (timed && nanos <= 0L)
                    return s;
                q = new WaitNode();
            }
            else if (!queued)
                /*
                 *  这是Treiber Stack算法入栈的逻辑。
                 *  Treiber Stack是一个基于CAS的无锁并发栈实现,
                 *  更多可以参考https://en.wikipedia.org/wiki/Treiber_Stack
                 */
                queued = WAITERS.weakCompareAndSet(this, q.next = waiters, q);
            else if (timed) {
                final long parkNanos;
                if (startTime == 0L) { // first time
                    startTime = System.nanoTime();
                    if (startTime == 0L)
                        startTime = 1L;
                    parkNanos = nanos;
                } else {
                    long elapsed = System.nanoTime() - startTime;
                    if (elapsed >= nanos) {
                        // 超时，移除栈中节点。
                        removeWaiter(q);
                        return state;
                    }
                    parkNanos = nanos - elapsed;
                }
                // nanoTime may be slow; recheck before parking
                // 未超市并且状态为NEW，阻塞当前线程
                if (state < COMPLETING)
                    LockSupport.parkNanos(this, parkNanos);
            }
            else
                LockSupport.park(this);
        }
    }

**removeWaiter()**

java复制代码private void removeWaiter(WaitNode node) {
      if (node != null) {
        node.thread = null;
        retry:
        for (;;) {          // restart on removeWaiter race
          for (WaitNode pred = null, q = waiters, s; q != null; q = s) {
            s = q.next;
            // 如果当前节点仍有效,则置pred为当前节点，继续遍历。
            if (q.thread != null)
              pred = q;
            /*
            * 当前节点已无效且有前驱，则将前驱的后继置为当前节点的后继实现删除节点。
            * 如果前驱节点已无效，则重新遍历waiters栈。
            */
            else if (pred != null) {
              pred.next = s;
              if (pred.thread == null) // check for race
                continue retry;
            }
            /*
            * 当前节点已无效，且当前节点没有前驱，则将栈顶置为当前节点的后继。
            * 失败的话重新遍历waiters栈。
            */
            else if (!WAITERS.compareAndSet(this, q, s))
              continue retry;
          }
          break;
        }
      }
    }

**report()**

java复制代码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);
    }

## cancel()执行流程 ##

java复制代码public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
        // 状态机不是NEW 或CAS更新状态 流转到INTERRUPTING或者CANCELLED失败，不允许cancel
        if (!(state == NEW && STATE.compareAndSet
              (this, NEW, mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
            return false;
        try {    // in case call to interrupt throws exception
            // 如果要求中断执行中的任务，则直接中断任务执行线程，并更新状态机为最终状态INTERRUPTED
            if (mayInterruptIfRunning) {
                try {
                    Thread t = runner;
                    if (t != null)
                        t.interrupt();
                } finally { // final state
                    STATE.setRelease(this, INTERRUPTED);
                }
            }
        } finally {
            finishCompletion();
        }
        return true;
    }

## 经典案例 ##

引用**极客时间-java并发编程**课程的案例烧水泡茶：

![Future-任务分工图.png][Future-_.png]

![get_code_Nzg5ZmM1ODk5ZTA5MGFiNGVjMDVjZGMxZDA1MzUxOGYsMTY4OTgyMzYwODUxMg][]

并发编程可以总结为三个核心问题：分工，同步和互斥。编写并发程序，首先要做分工。

1.  T1负责洗水壶，烧开水，泡茶这三道工序
2.  T2负责洗茶壶，洗茶杯，拿茶叶三道工序。
3.  T1在执行泡茶这道工序需要等到T2完成拿茶叶的工作。（join,countDownLatch，阻塞队列都可以完成）

![Future-关系图.png][Future-_.png 1]

![get_code_NWVmM2I3OTE1M2E1NmEzMWMwMDBkNDNlMzYyN2IzZTgsMTY4OTgyMzYwODUxMg][]

java复制代码// 创建任务 T2 的 FutureTask
    FutureTask<String> ft2
      = new FutureTask<>(new T2Task());
    // 创建任务 T1 的 FutureTask
    FutureTask<String> ft1
      = new FutureTask<>(new T1Task(ft2));
    // 线程 T1 执行任务 ft1
    Thread T1 = new Thread(ft1);
    T1.start();
    // 线程 T2 执行任务 ft2
    Thread T2 = new Thread(ft2);
    T2.start();
    // 等待线程 T1 执行结果
    System.out.println(ft1.get());
    
    // T1Task 需要执行的任务：
    // 洗水壶、烧开水、泡茶
    class T1Task implements Callable<String>{
      FutureTask<String> ft2;
      // T1 任务需要 T2 任务的 FutureTask
      T1Task(FutureTask<String> ft2){
        this.ft2 = ft2;
      }
      @Override
      String call() throws Exception {
        System.out.println("T1: 洗水壶...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        
        System.out.println("T1: 烧开水...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(15);
        // 获取 T2 线程的茶叶  
        String tf = ft2.get();
        System.out.println("T1: 拿到茶叶:"+tf);
    
        System.out.println("T1: 泡茶...");
        return " 上茶:" + tf;
      }
    }
    // T2Task 需要执行的任务:
    // 洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶
    class T2Task implements Callable<String> {
      @Override
      String call() throws Exception {
        System.out.println("T2: 洗茶壶...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    
        System.out.println("T2: 洗茶杯...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    
        System.out.println("T2: 拿茶叶...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        return " 龙井 ";
      }
    }
    // 一次执行结果：
    //T1: 洗水壶...
    //T2: 洗茶壶...
    //T1: 烧开水...
    //T2: 洗茶杯...
    //T2: 拿茶叶...
    //T1: 拿到茶叶: 龙井
    //T1: 泡茶...
    //上茶: 龙井

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