刚研究完Callable和Future,各位随便问!!
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2021-04-29 03:59
在Java的多线程编程中,除了Thread类和Runnable接口外,不得不说的就是Callable接口Future接口了。使用继承Thread类或者实现Runnable接口的线程,无法返回最终的执行结果数据,只能等待线程执行完成。此时,如果想要获取线程执行后的返回结果,那么,Callable和Future就派上用场了。
Callable接口
1.Callable接口介绍
Callable接口是JDK1.5新增的泛型接口,在JDK1.8中,被声明为函数式接口,如下所示。
@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
V call() throws Exception;
}
在JDK 1.8中只声明有一个方法的接口为函数式接口,函数式接口可以使用@FunctionalInterface注解修饰,也可以不使用@FunctionalInterface注解修饰。只要一个接口中只包含有一个方法,那么,这个接口就是函数式接口。
在JDK中,实现Callable接口的子类如下图所示。
默认的子类层级关系图看不清,这里,可以通过IDEA右键Callable接口,选择“Layout”来指定Callable接口的实现类图的不同结构,如下所示。
这里,可以选择“Organic Layout”选项,选择后的Callable接口的子类的结构如下图所示。
在实现Callable接口的子类中,有几个比较重要的类,如下图所示。
分别是:Executors类中的静态内部类:PrivilegedCallable、PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader、RunnableAdapter和Task类下的TaskCallable。
2.实现Callable接口的重要类分析
接下来,分析的类主要有:PrivilegedCallable、PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader、RunnableAdapter和Task类下的TaskCallable。虽然这些类在实际工作中很少被直接用到,但是作为一名合格的开发工程师,设置是秃顶的资深专家来说,了解并掌握这些类的实现有助你进一步理解Callable接口,并提高专业技能(头发再掉一批,哇哈哈哈。。。)。
PrivilegedCallable
PrivilegedCallable类是Callable接口的一个特殊实现类,它表明Callable对象有某种特权来访问系统的某种资源,PrivilegedCallable类的源代码如下所示。
/**
* A callable that runs under established access control settings
*/
static final class PrivilegedCallable<T> implements Callable<T> {
private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;
PrivilegedCallable(Callable<T> task) {
this.task = task;
this.acc = AccessController.getContext();
}
public T call() throws Exception {
try {
return AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<T>() {
public T run() throws Exception {
return task.call();
}
}, acc);
} catch (PrivilegedActionException e) {
throw e.getException();
}
}
}
从PrivilegedCallable类的源代码来看,可以将PrivilegedCallable看成是对Callable接口的封装,并且这个类也继承了Callable接口。
在PrivilegedCallable类中有两个成员变量,分别是Callable接口的实例对象和AccessControlContext类的实例对象,如下所示。
private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;
其中,AccessControlContext类可以理解为一个具有系统资源访问决策的上下文类,通过这个类可以访问系统的特定资源。通过类的构造方法可以看出,在实例化AccessControlContext类的对象时,只需要传递Callable接口子类的对象即可,如下所示。
PrivilegedCallable(Callable<T> task) {
this.task = task;
this.acc = AccessController.getContext();
}
AccessControlContext类的对象是通过AccessController类的getContext()方法获取的,这里,查看AccessController类的getContext()方法,如下所示。
public static AccessControlContext getContext(){
AccessControlContext acc = getStackAccessControlContext();
if (acc == null) {
return new AccessControlContext(null, true);
} else {
return acc.optimize();
}
}
通过AccessController的getContext()方法可以看出,首先通过getStackAccessControlContext()方法来获取AccessControlContext对象实例。如果获取的AccessControlContext对象实例为空,则通过调用AccessControlContext类的构造方法实例化,否则,调用AccessControlContext对象实例的optimize()方法返回AccessControlContext对象实例。
这里,我们先看下getStackAccessControlContext()方法是个什么鬼。
private static native AccessControlContext getStackAccessControlContext();
原来是个本地方法,方法的字面意思就是获取能够访问系统栈的决策上下文对象。
接下来,我们回到PrivilegedCallable类的call()方法,如下所示。
public T call() throws Exception {
try {
return AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<T>() {
public T run() throws Exception {
return task.call();
}
}, acc);
} catch (PrivilegedActionException e) {
throw e.getException();
}
}
通过调用AccessController.doPrivileged()方法,传递PrivilegedExceptionAction。接口对象和AccessControlContext对象,并最终返回泛型的实例对象。
首先,看下AccessController.doPrivileged()方法,如下所示。
@CallerSensitive
public static native <T> T
doPrivileged(PrivilegedExceptionAction<T> action,
AccessControlContext context)
throws PrivilegedActionException;
可以看到,又是一个本地方法。也就是说,最终的执行情况是将PrivilegedExceptionAction接口对象和AccessControlContext对象实例传递给这个本地方法执行。并且在PrivilegedExceptionAction接口对象的run()方法中调用Callable接口的call()方法来执行最终的业务逻辑,并且返回泛型对象。
PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader
此类表示为在已经建立的特定访问控制和当前的类加载器下运行的Callable类,源代码如下所示。
/**
* A callable that runs under established access control settings and
* current ClassLoader
*/
static final class PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader<T> implements Callable<T> {
private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;
private final ClassLoader ccl;
PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader(Callable<T> task) {
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
}
this.task = task;
this.acc = AccessController.getContext();
this.ccl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
}
public T call() throws Exception {
try {
return AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<T>() {
public T run() throws Exception {
Thread t = Thread.currentThread();
ClassLoader cl = t.getContextClassLoader();
if (ccl == cl) {
return task.call();
} else {
t.setContextClassLoader(ccl);
try {
return task.call();
} finally {
t.setContextClassLoader(cl);
}
}
}
}, acc);
} catch (PrivilegedActionException e) {
throw e.getException();
}
}
}
这个类理解起来比较简单,首先,在类中定义了三个成员变量,如下所示。
private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;
private final ClassLoader ccl;
接下来,通过构造方法注入Callable对象,在构造方法中,首先获取系统安全管理器对象实例,通过系统安全管理器对象实例检查是否具有获取ClassLoader和设置ContextClassLoader的权限。并在构造方法中为三个成员变量赋值,如下所示。
PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader(Callable<T> task) {
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
}
this.task = task;
this.acc = AccessController.getContext();
this.ccl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
}
接下来,通过调用call()方法来执行具体的业务逻辑,如下所示。
public T call() throws Exception {
try {
return AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<T>() {
public T run() throws Exception {
Thread t = Thread.currentThread();
ClassLoader cl = t.getContextClassLoader();
if (ccl == cl) {
return task.call();
} else {
t.setContextClassLoader(ccl);
try {
return task.call();
} finally {
t.setContextClassLoader(cl);
}
}
}
}, acc);
} catch (PrivilegedActionException e) {
throw e.getException();
}
}
在call()方法中同样是通过调用AccessController类的本地方法doPrivileged,传递PrivilegedExceptionAction接口的实例对象和AccessControlContext类的对象实例。
具体执行逻辑为:在PrivilegedExceptionAction对象的run()方法中获取当前线程的ContextClassLoader对象,如果在构造方法中获取的ClassLoader对象与此处的ContextClassLoader对象是同一个对象(不止对象实例相同,而且内存地址也相同),则直接调用Callable对象的call()方法返回结果。否则,将PrivilegedExceptionAction对象的run()方法中的当前线程的ContextClassLoader设置为在构造方法中获取的类加载器对象,接下来,再调用Callable对象的call()方法返回结果。最终将当前线程的ContextClassLoader重置为之前的ContextClassLoader。
RunnableAdapter
RunnableAdapter类比较简单,给定运行的任务和结果,运行给定的任务并返回给定的结果,源代码如下所示。
/**
* A callable that runs given task and returns given 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;
}
}
TaskCallable
TaskCallable类是javafx.concurrent.Task类的静态内部类,TaskCallable类主要是实现了Callable接口并且被定义为FutureTask的类,并且在这个类中允许我们拦截call()方法来更新task任务的状态。源代码如下所示。
private static final class TaskCallable<V> implements Callable<V> {
private Task<V> task;
private TaskCallable() { }
@Override
public V call() throws Exception {
task.started = true;
task.runLater(() -> {
task.setState(State.SCHEDULED);
task.setState(State.RUNNING);
});
try {
final V result = task.call();
if (!task.isCancelled()) {
task.runLater(() -> {
task.updateValue(result);
task.setState(State.SUCCEEDED);
});
return result;
} else {
return null;
}
} catch (final Throwable th) {
task.runLater(() -> {
task._setException(th);
task.setState(State.FAILED);
});
if (th instanceof Exception) {
throw (Exception) th;
} else {
throw new Exception(th);
}
}
}
}
从TaskCallable类的源代码可以看出,只定义了一个Task类型的成员变量。下面主要分析TaskCallable类的call()方法。
当程序的执行进入到call()方法时,首先将task对象的started属性设置为true,表示任务已经开始,并且将任务的状态依次设置为State.SCHEDULED和State.RUNNING,依次触发任务的调度事件和运行事件。如下所示。
task.started = true;
task.runLater(() -> {
task.setState(State.SCHEDULED);
task.setState(State.RUNNING);
});
接下来,在try代码块中执行Task对象的call()方法,返回泛型对象。如果任务没有被取消,则更新任务的缓存,将调用call()方法返回的泛型对象绑定到Task对象中的ObjectProperty
private final ObjectProperty<V> value = new SimpleObjectProperty<>(this, "value");
接下来,将任务的状态设置为成功状态。如下所示。
try {
final V result = task.call();
if (!task.isCancelled()) {
task.runLater(() -> {
task.updateValue(result);
task.setState(State.SUCCEEDED);
});
return result;
} else {
return null;
}
}
如果程序抛出了异常或者错误,会进入catch()代码块,设置Task对象的Exception信息并将状态设置为State.FAILED,也就是将任务标记为失败。接下来,判断异常或错误的类型,如果是Exception类型的异常,则直接强转为Exception类型的异常并抛出。否则,将异常或者错误封装为Exception对象并抛出,如下所示。
catch (final Throwable th) {
task.runLater(() -> {
task._setException(th);
task.setState(State.FAILED);
});
if (th instanceof Exception) {
throw (Exception) th;
} else {
throw new Exception(th);
}
}
两种异步模型与深度解析Future接口
两种异步模型
在Java的并发编程中,大体上会分为两种异步编程模型,一类是直接以异步的形式来并行运行其他的任务,不需要返回任务的结果数据。一类是以异步的形式运行其他任务,需要返回结果。
1.无返回结果的异步模型
无返回结果的异步任务,可以直接将任务丢进线程或线程池中运行,此时,无法直接获得任务的执行结果数据,一种方式是可以使用回调方法来获取任务的运行结果。
具体的方案是:定义一个回调接口,并在接口中定义接收任务结果数据的方法,具体逻辑在回调接口的实现类中完成。将回调接口与任务参数一同放进线程或线程池中运行,任务运行后调用接口方法,执行回调接口实现类中的逻辑来处理结果数据。这里,给出一个简单的示例供参考。
定义回调接口
package io.binghe.concurrent.lab04;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 定义回调接口
*/
public interface TaskCallable<T> {
T callable(T t);
}
便于接口的通用型,这里为回调接口定义了泛型。
定义任务结果数据的封装类
package io.binghe.concurrent.lab04;
import java.io.Serializable;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 任务执行结果
*/
public class TaskResult implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 8678277072402730062L;
/**
* 任务状态
*/
private Integer taskStatus;
/**
* 任务消息
*/
private String taskMessage;
/**
* 任务结果数据
*/
private String taskResult;
//省略getter和setter方法
@Override
public String toString() {
return "TaskResult{" +
"taskStatus=" + taskStatus +
", taskMessage='" + taskMessage + '\'' +
", taskResult='" + taskResult + '\'' +
'}';
}
}
创建回调接口的实现类
回调接口的实现类主要用来对任务的返回结果进行相应的业务处理,这里,为了方便演示,只是将结果数据返回。大家需要根据具体的业务场景来做相应的分析和处理。
package io.binghe.concurrent.lab04;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 回调函数的实现类
*/
public class TaskHandler implements TaskCallable<TaskResult> {
@Override
public TaskResult callable(TaskResult taskResult) {
//TODO 拿到结果数据后进一步处理
System.out.println(taskResult.toString());
return taskResult;
}
}
创建任务的执行类
任务的执行类是具体执行任务的类,实现Runnable接口,在此类中定义一个回调接口类型的成员变量和一个String类型的任务参数(模拟任务的参数),并在构造方法中注入回调接口和任务参数。在run方法中执行任务,任务完成后将任务的结果数据封装成TaskResult对象,调用回调接口的方法将TaskResult对象传递到回调方法中。
package io.binghe.concurrent.lab04;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 任务执行类
*/
public class TaskExecutor implements Runnable{
private TaskCallable<TaskResult> taskCallable;
private String taskParameter;
public TaskExecutor(TaskCallable<TaskResult> taskCallable, String taskParameter){
this.taskCallable = taskCallable;
this.taskParameter = taskParameter;
}
@Override
public void run() {
//TODO 一系列业务逻辑,将结果数据封装成TaskResult对象并返回
TaskResult result = new TaskResult();
result.setTaskStatus(1);
result.setTaskMessage(this.taskParameter);
result.setTaskResult("异步回调成功");
taskCallable.callable(result);
}
}
到这里,整个大的框架算是完成了,接下来,就是测试看能否获取到异步任务的结果了。
异步任务测试类
package io.binghe.concurrent.lab04;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 测试回调
*/
public class TaskCallableTest {
public static void main(String[] args){
TaskCallable<TaskResult> taskCallable = new TaskHandler();
TaskExecutor taskExecutor = new TaskExecutor(taskCallable, "测试回调任务");
new Thread(taskExecutor).start();
}
}
在测试类中,使用Thread类创建一个新的线程,并启动线程运行任务。运行程序最终的接口数据如下所示。
TaskResult{taskStatus=1, taskMessage='测试回调任务', taskResult='异步回调成功'}
大家可以细细品味下这种获取异步结果的方式。这里,只是简单的使用了Thread类来创建并启动线程,也可以使用线程池的方式实现。大家可自行实现以线程池的方式通过回调接口获取异步结果。
2.有返回结果的异步模型
尽管使用回调接口能够获取异步任务的结果,但是这种方式使用起来略显复杂。在JDK中提供了可以直接返回异步结果的处理方案。最常用的就是使用Future接口或者其实现类FutureTask来接收任务的返回结果。
使用Future接口获取异步结果
使用Future接口往往配合线程池来获取异步执行结果,如下所示。
package io.binghe.concurrent.lab04;
import java.util.concurrent.*;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 测试Future获取异步结果
*/
public class FutureTest {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
Future<String> future = executorService.submit(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
return "测试Future获取异步结果";
}
});
System.out.println(future.get());
executorService.shutdown();
}
}
运行结果如下所示。
测试Future获取异步结果
使用FutureTask类获取异步结果
FutureTask类既可以结合Thread类使用也可以结合线程池使用,接下来,就看下这两种使用方式。
结合Thread类的使用示例如下所示。
package io.binghe.concurrent.lab04;
import java.util.concurrent.*;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 测试FutureTask获取异步结果
*/
public class FutureTaskTest {
public static void main(String[] args)throws ExecutionException, InterruptedException{
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
return "测试FutureTask获取异步结果";
}
});
new Thread(futureTask).start();
System.out.println(futureTask.get());
}
}
运行结果如下所示。
测试FutureTask获取异步结果
结合线程池的使用示例如下。
package io.binghe.concurrent.lab04;
import java.util.concurrent.*;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 测试FutureTask获取异步结果
*/
public class FutureTaskTest {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
return "测试FutureTask获取异步结果";
}
});
executorService.execute(futureTask);
System.out.println(futureTask.get());
executorService.shutdown();
}
}
运行结果如下所示。
测试FutureTask获取异步结果
可以看到使用Future接口或者FutureTask类来获取异步结果比使用回调接口获取异步结果简单多了。注意:实现异步的方式很多,这里只是用多线程举例。
接下来,就深入分析下Future接口。
深度解析Future接口
1.Future接口
Future是JDK1.5新增的异步编程接口,其源代码如下所示。
package java.util.concurrent;
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;
}
可以看到,在Future接口中,总共定义了5个抽象方法。接下来,就分别介绍下这5个方法的含义。
cancel(boolean)
取消任务的执行,接收一个boolean类型的参数,成功取消任务,则返回true,否则返回false。当任务已经完成,已经结束或者因其他原因不能取消时,方法会返回false,表示任务取消失败。当任务未启动调用了此方法,并且结果返回true(取消成功),则当前任务不再运行。如果任务已经启动,会根据当前传递的boolean类型的参数来决定是否中断当前运行的线程来取消当前运行的任务。
isCancelled()
判断任务在完成之前是否被取消,如果在任务完成之前被取消,则返回true;否则,返回false。
这里需要注意一个细节:只有任务未启动,或者在完成之前被取消,才会返回true,表示任务已经被成功取消。其他情况都会返回false。
isDone()
判断任务是否已经完成,如果任务正常结束、抛出异常退出、被取消,都会返回true,表示任务已经完成。
get()
当任务完成时,直接返回任务的结果数据;当任务未完成时,等待任务完成并返回任务的结果数据。
get(long, TimeUnit)
当任务完成时,直接返回任务的结果数据;当任务未完成时,等待任务完成,并设置了超时等待时间。在超时时间内任务完成,则返回结果;否则,抛出TimeoutException异常。
2.RunnableFuture接口
Future接口有一个重要的子接口,那就是RunnableFuture接口,RunnableFuture接口不但继承了Future接口,而且继承了java.lang.Runnable接口,其源代码如下所示。
package java.util.concurrent;
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
void run();
}
这里,问一下,RunnableFuture接口中有几个抽象方法?想好了再说!哈哈哈。。。
这个接口比较简单run()方法就是运行任务时调用的方法。
3.FutureTask类
FutureTask类是RunnableFuture接口的一个非常重要的实现类,它实现了RunnableFuture接口、Future接口和Runnable接口的所有方法。FutureTask类的源代码比较多,这个就不粘贴了,大家自行到java.util.concurrent下查看。
(1)FutureTask类中的变量与常量
在FutureTask类中首先定义了一个状态变量state,这个变量使用了volatile关键字修饰,这里,大家只需要知道volatile关键字通过内存屏障和禁止重排序优化来实现线程安全,后续会单独深度分析volatile关键字是如何保证线程安全的。紧接着,定义了几个任务运行时的状态常量,如下所示。
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;
其中,代码注释中给出了几个可能的状态变更流程,如下所示。
NEW -> COMPLETING -> NORMAL
NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
NEW -> CANCELLED
NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
接下来,定义了其他几个成员变量,如下所示。
private Callable<V> callable;
private Object outcome;
private volatile Thread runner;
private volatile WaitNode waiters;
又看到我们所熟悉的Callable接口了,Callable接口那肯定就是用来调用call()方法执行具体任务了。
outcome:Object类型,表示通过get()方法获取到的结果数据或者异常信息。
runner:运行Callable的线程,运行期间会使用CAS保证线程安全,这里大家只需要知道CAS是Java保证线程安全的一种方式,后续文章中会深度分析CAS如何保证线程安全。
waiters:WaitNode类型的变量,表示等待线程的堆栈,在FutureTask的实现中,会通过CAS结合此堆栈交换任务的运行状态。
看一下WaitNode类的定义,如下所示。
static final class WaitNode {
volatile Thread thread;
volatile WaitNode next;
WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}
可以看到,WaitNode类是FutureTask类的静态内部类,类中定义了一个Thread成员变量和指向下一个WaitNode节点的引用。其中通过构造方法将thread变量设置为当前线程。
(2)构造方法
接下来,是FutureTask的两个构造方法,比较简单,如下所示。
public FutureTask(Callable<V> callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
this.callable = callable;
this.state = NEW;
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
this.callable = Executors.callable(runnable, result);
this.state = NEW;
}
(3)是否取消与完成方法
继续向下看源码,看到一个任务是否取消的方法,和一个任务是否完成的方法,如下所示。
public boolean isCancelled() {
return state >= CANCELLED;
}
public boolean isDone() {
return state != NEW;
}
这两方法中,都是通过判断任务的状态来判定任务是否已取消和已完成的。为啥会这样判断呢?再次查看FutureTask类中定义的状态常量发现,其常量的定义是有规律的,并不是随意定义的。其中,大于或者等于CANCELLED的常量为CANCELLED、INTERRUPTING和INTERRUPTED,这三个状态均可以表示线程已经被取消。当状态不等于NEW时,可以表示任务已经完成。
通过这里,大家可以学到一点:以后在编码过程中,要按照规律来定义自己使用的状态,尤其是涉及到业务中有频繁的状态变更的操作,有规律的状态可使业务处理变得事半功倍,这也是通过看别人的源码设计能够学到的,这里,建议大家还是多看别人写的优秀的开源框架的源码。
(4)取消方法
我们继续向下看源码,接下来,看到的是cancel(boolean)方法,如下所示。
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;
}
接下来,拆解cancel(boolean)方法。在cancel(boolean)方法中,首先判断任务的状态和CAS的操作结果,如果任务的状态不等于NEW或者CAS的操作返回false,则直接返回false,表示任务取消失败。如下所示。
if (!(state == NEW &&
UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
return false;
接下来,在try代码块中,首先判断是否可以中断当前任务所在的线程来取消任务的运行。如果可以中断当前任务所在的线程,则以一个Thread临时变量来指向运行任务的线程,当指向的变量不为空时,调用线程对象的interrupt()方法来中断线程的运行,最后将线程标记为被中断的状态。如下所示。
try {
if (mayInterruptIfRunning) {
try {
Thread t = runner;
if (t != null)
t.interrupt();
} finally { // final state
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
}
}
}
这里,发现变更任务状态使用的是UNSAFE.putOrderedInt()方法,这个方法是个什么鬼呢?点进去看一下,如下所示。
public native void putOrderedInt(Object var1, long var2, int var4);
可以看到,又是一个本地方法,嘿嘿,这里先不管它,后续文章会详解这些方法的作用。
接下来,cancel(boolean)方法会进入finally代码块,如下所示。
finally {
finishCompletion();
}
可以看到在finallly代码块中调用了finishCompletion()方法,顾名思义,finishCompletion()方法表示结束任务的运行,接下来看看它是如何实现的。点到finishCompletion()方法中看一下,如下所示。
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
}
在finishCompletion()方法中,首先定义一个for循环,循环终止因子为waiters为null,在循环中,判断CAS操作是否成功,如果成功进行if条件中的逻辑。首先,定义一个for自旋循环,在自旋循环体中,唤醒WaitNode堆栈中的线程,使其运行完成。当WaitNode堆栈中的线程运行完成后,通过break退出外层for循环。接下来调用done()方法。done()方法又是个什么鬼呢?点进去看一下,如下所示。
protected void done() { }
可以看到,done()方法是一个空的方法体,交由子类来实现具体的业务逻辑。
当我们的具体业务中,需要在取消任务时,执行一些额外的业务逻辑,可以在子类中覆写done()方法的实现。
(5)get()方法
继续向下看FutureTask类的代码,FutureTask类中实现了两个get()方法,如下所示。
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);
}
没参数的get()方法为当任务未运行完成时,会阻塞,直到返回任务结果。有参数的get()方法为当任务未运行完成,并且等待时间超出了超时时间,会TimeoutException异常。
两个get()方法的主要逻辑差不多,一个没有超时设置,一个有超时设置,这里说一下主要逻辑。判断任务的当前状态是否小于或者等于COMPLETING,也就是说,任务是NEW状态或者COMPLETING,调用awaitDone()方法,看下awaitDone()方法的实现,如下所示。
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);
}
}
接下来,拆解awaitDone()方法。在awaitDone()方法中,最重要的就是for自旋循环,在循环中首先判断当前线程是否被中断,如果已经被中断,则调用removeWaiter()将当前线程从堆栈中移除,并且抛出InterruptedException异常,如下所示。
if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}
接下来,判断任务的当前状态是否完成,如果完成,并且堆栈句柄不为空,则将堆栈中的当前线程设置为空,返回当前任务的状态,如下所示。
int s = state;
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
当任务的状态为COMPLETING时,使当前线程让出CPU资源,如下所示。
else if (s == COMPLETING)
Thread.yield();
如果堆栈为空,则创建堆栈对象,如下所示。
else if (q == null)
q = new WaitNode();
如果queued变量为false,通过CAS操作为queued赋值,如果awaitDone()方法传递的timed参数为true,则计算超时时间,当时间已超时,则在堆栈中移除当前线程并返回任务状态,如下所示。如果未超时,则重置超时时间,如下所示。
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);
}
如果不满足上述的所有条件,则将当前线程设置为等待状态,如下所示。
else
LockSupport.park(this);
接下来,回到get()方法中,当awaitDone()方法返回结果,或者任务的状态不满足条件时,都会调用report()方法,并将当前任务的状态传递到report()方法中,并返回结果,如下所示。
return report(s);
看来,这里还要看下report()方法啊,点进去看下report()方法的实现,如下所示。
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,report()方法的实现比较简单,首先,将outcome数据赋值给x变量,接下来,主要是判断接收到的任务状态,如果状态为NORMAL,则将x强转为泛型类型返回;当任务的状态大于或者等于CANCELLED,也就是任务已经取消,则抛出CancellationException异常,其他情况则抛出ExecutionException异常。
至此,get()方法分析完成。注意:一定要理解get()方法的实现,因为get()方法是我们使用Future接口和FutureTask类时,使用的比较频繁的一个方法。
(6)set()方法与setException()方法
继续看FutureTask类的代码,接下来看到的是set()方法与setException()方法,如下所示。
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();
}
}
通过源码可以看出,set()方法与setException()方法整体逻辑几乎一样,只是在设置任务状态时一个将状态设置为NORMAL,一个将状态设置为EXCEPTIONAL。
至于finishCompletion()方法,前面已经分析过。
(7)run()方法与runAndReset()方法
接下来,就是run()方法了,run()方法的源代码如下所示。
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);
}
}
可以这么说,只要使用了Future和FutureTask,就必然会调用run()方法来运行任务,掌握run()方法的流程是非常有必要的。在run()方法中,如果当前状态不是NEW,或者CAS操作返回的结果为false,则直接返回,不再执行后续逻辑,如下所示。
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return;
接下来,在try代码块中,将成员变量callable赋值给一个临时变量c,判断临时变量不等于null,并且任务状态为NEW,则调用Callable接口的call()方法,并接收结果数据。并将ran变量设置为true。当程序抛出异常时,将接收结果的变量设置为null,ran变量设置为false,并且调用setException()方法将任务的状态设置为EXCEPTIONA。接下来,如果ran变量为true,则调用set()方法,如下所示。
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);
}
}
接下来,程序会进入finally代码块中,如下所示。
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);
}
这里,将runner设置为null,如果任务的当前状态大于或者等于INTERRUPTING,也就是线程被中断了。则调用handlePossibleCancellationInterrupt()方法,接下来,看下handlePossibleCancellationInterrupt()方法的实现。
private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) {
if (s == INTERRUPTING)
while (state == INTERRUPTING)
Thread.yield();
}
可以看到,handlePossibleCancellationInterrupt()方法的实现比较简单,当任务的状态为INTERRUPTING时,使用while()循环,条件为当前任务状态为INTERRUPTING,将当前线程占用的CPU资源释放,也就是说,当任务运行完成后,释放线程所占用的资源。
runAndReset()方法的逻辑与run()差不多,只是runAndReset()方法会在finally代码块中将任务状态重置为NEW。runAndReset()方法的源代码如下所示,就不重复说了。
protected boolean runAndReset() {
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return false;
boolean ran = false;
int s = state;
try {
Callable<V> c = callable;
if (c != null && s == NEW) {
try {
c.call(); // don't set result
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
setException(ex);
}
}
} 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
s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
return ran && s == NEW;
}
(8)removeWaiter()方法
removeWaiter()方法中主要是使用自旋循环的方式来移除WaitNode中的线程,比较简单,如下所示。
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;
if (q.thread != null)
pred = q;
else if (pred != null) {
pred.next = s;
if (pred.thread == null) // check for race
continue retry;
}
else if (!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q, s))
continue retry;
}
break;
}
}
}
最后,在FutureTask类的最后,有如下代码。
// Unsafe mechanics
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long stateOffset;
private static final long runnerOffset;
private static final long waitersOffset;
static {
try {
UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class<?> k = FutureTask.class;
stateOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("state"));
runnerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("runner"));
waitersOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("waiters"));
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
关于这些代码的作用,会在后续深度解析CAS文章中详细说明,这里就不再探讨。
至此,关于Future接口和FutureTask类的源码就分析完了。