和阿里面试官对线FutureTask源码面试

1 简介

• • 
    
• 使用继承方式的好处是方便传参，可在子类里面添加成员变量，通过 set 方法设置参数者通过构造器进行传递
• 使用 Runnable 方式，则只能使用主线程里面被声明为 final 变量
  • 
    

不好的地方是 Java 不支持多继承，若继承了 Thread 类，则子类不能再继承其它类 ，而 Runable接口则无该限制 。

Thread 类和 Runnable 接口都不允许声明检查型异常，也不能定义返回值。

没有返回值就有点麻烦，这两种方式都没办法拿到任务的返回结果，但FutureTask 可以！

不能声明抛出检查型异常则更麻烦一些。run()方法意味着必须捕获并处理检查型异常。即使小心地保存了异常信息（在捕获异常时）以便稍后检查，但也不能保证这个 Runnable 对象的所有使用者都读取异常信息。

可以修改Runnable实现的getter，让它们都能抛出任务执行中的异常。但这种方法除了繁琐也不是十分安全可靠，你不能强迫使用者调用这些方法，程序员很可能会调用join()方法等待线程结束然后就不管了。

但是现在不用担心了，以上的问题终于在1.5中解决了。

Callable接口和Future接口的引入以及他们对线程池的支持优雅地解决了这两个问题。

2 案例

FutureTask 相关组件如何使用的=

3 Callable

Callable函数式接口定义了唯一方法 - call()。可以在Callable的实现中声明强类型的返回值，甚至抛异常。

利用call()直接返回结果，省去读取值时的类型转换。

• 定义
  
  返回值是个泛型，使用时，不会直接使用 Callable，而是和 FutureTask 协同。

4 Future

• Callable 可以返回线程的执行结果，在获取结果时，就需用到Future接口
  

Future是 Java5 中引入的接口，当提交一个Callable对象给线程池时，将得到一个Future对象，并且它和传入的Callable有相同的结果类型声明。

它取代了Java5 前直接操作 Thread 实例做法。以前，不得不用Thread.join()或Thread.join(long millis)等待任务完成。

Future表示异步计算的结果，提供了一些方法来检查计算是否完成，等待其完成以及检索计算结果。

只有在计算完成时才可以使用get方法检索结果，必要时将其阻塞，直到准备就绪。

取消是通过cancel方法执行的。

提供了其他方法来确定任务是正常完成还是被取消。一旦计算完成，就不能取消计算。

如果出于可取消性的目的使用​​Future​​​而不提供可用的结果，则可以声明​​Future <？>​​形式的类型，并作为基础任务的结果返回null。

4.1 Future API

4.1.1 cancel - 尝试取消执行任务

当任务处于不同状态时，该方法有不同响应：

• • 
    
• 任务已完成 / 已取消 / 由于某些其他原因无法被取消
  该尝试会直接失败
• 尝试成功，且此时任务尚未开始
  可以取消成功
• 任务已开始
  ​mayInterruptIfRunning​ 参数确定是否可以中断执行该任务的线程以尝试停止该任务。
  • 
    

此方法返回后，对 ​isDone​ 的后续调用将始终返回 true。若此方法返回 true，则随后对 ​isCancelled​ 的调用将始终返回 true。

4.1.2 isCancelled - 是否被取消

如果此任务在正常完成之前被取消，则返回true.

4.1.3 isDone - 是否完成

如果此任务完成，则返回true。

完成可能是由于正常终止，异常或取消引起的，在所有这些情况下，此方法都将返回true。

4.1.4 get - 获取结果

等待任务完成，然后获取其结果。

若：

• • 
    
• 任务被取消，抛 ​CancellationException​
• 当前线程在等待时被中断，抛 ​InterruptedException​
• 任务抛出了异常，抛 ​ExecutionException​
  • 
    

4.1.5 timed get - 超时获取

• • 
    
• 必要时最多等待给定时间以完成任务，然后获取其结果（若有）
  
• 抛CancellationException 如果任务被取消
• 抛 ExecutionException 如果任务抛了异常
• 抛InterruptedException 如果当前线程在等待时被中断
• 抛TimeoutException 如果等待超时了
  • 
    

两个get()方法都是阻塞的，若被调用时，任务还没有执行完，则调用get()方法的线程会阻塞，直到任务执行完才会被唤醒。所以future.get()会阻塞当前调用线程。

• • 
    
• 阻塞异步线程
  
  
• 阻塞主线程
  
  
  • 
    

5 RunnableFuture

Java6 时提供的持有 Runnable 性质的 Future。

成功执行run方法导致Future的完成，并允许访问其结果。

RunnableFuture接口比较简单，就是继承了 Runnable 和 Future 接口。只提供一个​run​方法

创建任务有两种方式

• • 
    
• 无返回值的 Runnable
• 有返回值的 Callable
  • 
    

但这样的设计，对于其他 API 来说并不方便，没法统一接口。

所以铺垫了这么多，主角 FutureTask 来了!

6 FutureTask

Future是个接口，FutureTask 才是个实实在在的工具类，是线程运行的具体任务。

实现了 RunnableFuture 接口，即实现了 Runnnable 接口,即FutureTask 本身就是个 Runnnable。也表明了 FutureTask 实现了 Future，具备对任务进行管理的功能。

6.1 属性

6.1.1 运行状态

最初为​​NEW​​。 运行状态仅在​set​，​setException​和​cancel​方法中转换为最终状态。

在完成期间，状态可能会呈现​​COMPLETING​​（正在设置结果时）或​​INTERRUPTING​​（仅在中断运行任务去满足cancel（true）时）的瞬态值。

从这些中间状态到最终状态的转换使用更加低价的有序/惰性写入，因为值是唯一的，无法进一步修改。

常量字段定义：

• • 
    
• NEW
  线程任务创建，开始状态
• COMPLETING
  任务执行中，正在运行状态
• NORMAL
  任务执行结束
• EXCEPTIONAL
  任务异常
• CANCELLED
  任务取消成功
• INTERRUPTING
  任务正在被打断中
• INTERRUPTED = 6
  任务被打断成功
  • 
    

可能的状态转换

• • 
    
• NEW -> COMPLETING -> NORMAL
• NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
• NEW -> CANCELLED
• NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
  • 
    

6.1.2 其他属性

• • 
    
• 组合的 callable，这样就具备了转化 Callable 和 Runnable 的功能
  
• 从ge()返回或抛异常的结果，非volatile，受state的读/写保护
  
• 运行 callable 的线程； 在run()期间进行CAS
  
• 记录调用 get 方法时被等待的线程 - 栈形式
  
  Callable 是作为 FutureTask 的属性之一，接着我们看下 FutureTask 的构造器，看看两者是如何转化的。
  • 
    

6.2 构造方法

6.2.1 Callable 参数

6.2.2 Runnable 参数

为协调 callable 属性，辅助 result 参数。

Runnable 是没有返回值的，所以 result 一般没有用，置为 null 即可，正如 JDK 所推荐的写法

Future<?> f = 
  new FutureTask<Void>(runnable, null)}

• • 
    
• Executors.callable 方法负责将 runnable 适配成 callable。
  
• 通过转化类 RunnableAdapter进行适配
  
  • 
    

6.2.3 小结

适配器模式把 Runnable 适配成 Callable，那么我们首先要实现 Callable 接口，并且在 Callable 的 call 方法里面调用被适配对象即 Runnable的方法即可.

6.3 get

限时阻塞的 get 方法：

public V get(long timeout, TimeUnit unit) {
    int s = state;
    // 任务已经在执行中了
    if (s <= COMPLETING &&
        // 并且等待一定时间后，仍在执行中，抛异常
        (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
        throw new TimeoutException();
    // 任务完成，返回执行结果
    return report(s);
}

等待任务执行完成

private int awaitDone(boolean timed, long nanos) {
    // 计算等待终止时间，如果一直等待的话，终止时间为 0
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    WaitNode q = null;
    // 不排队
    boolean queued = false;
    // 无限循环
    for (;;) {
        // 如果线程已经被打断了，删除，抛异常
        if (Thread.interrupted()) {
            removeWaiter(q);
            throw new InterruptedException();
        }
        // 当前任务状态
        int s = state;
        // 当前任务已经执行完了，返回
        if (s > COMPLETING) {
            // 当前任务的线程置空
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
        // 如果正在执行，当前线程让出 cpu，重新竞争，防止 cpu 飙高
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
            Thread.yield();
            // 如果第一次运行，新建 waitNode，当前线程就是 waitNode 的属性
        else if (q == null)
            q = new WaitNode();
            // 默认第一次都会执行这里，执行成功之后，queued 就为 true，就不会再执行了
            // 把当前 waitNode 当做 waiters 链表的第一个
        else if (!queued)
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                 q.next = waiters, q);
            // 如果设置了超时时间，并过了超时时间的话，从 waiters 链表中删除当前 wait
        else if (timed) {
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            if (nanos <= 0L) {
                removeWaiter(q);
                return state;
            }
            // 没有过超时时间，线程进入 TIMED_WAITING 状态
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
        }
        // 没有设置超时时间，进入 WAITING 状态
        else
            LockSupport.park(this);
    }
}

get 是一种阻塞式方法,当发现任务还在进行中，没有完成时，就会阻塞当前进程，等待任务完成后再返回结果值。

阻塞底层使用的是 LockSupport.park 方法，使当前线程进入 ​​WAITING​​​ 或 ​​TIMED_WAITING​​ 态。

6.4 run

该方法可被直接调用，也可由线程池调用

public void run() {
    // 状态非 NEW 或当前任务已有线程在执行，直接返回
    if (state != NEW ||
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                     null, Thread.currentThread()))
        return;
    try {
        Callable<V> c = callable;
        // Callable 非空且已 NEW
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran;
            try {
                // 真正执行业务代码的地方
                result = c.call();
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
                result = null;
                ran = false;
                setException(ex);
            }
            // 给 outcome 赋值,这样 Future.get 方法执行时，就可以从 outCome 中取值
            if (ran)
                set(result);
        }
    } finally {
        runner = null;
        int s = state;
        if (s >= INTERRUPTING)
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}

run 方法没有返回值，通过给 outcome 属性赋值（set(result)），get 时就能从 outcome 属性中拿到返回值。

FutureTask 两种构造器，最终都转化成了 Callable，所以在 run 方法执行的时候，只需要执行 Callable 的 call 方法即可，在执行 c.call() 代码时，如果入参是 Runnable 的话， 调用路径为 c.call() -> RunnableAdapter.call() -> Runnable.run()，如果入参是 Callable 的话，直接调用。

6.5 cancel

// 取消任务，如果正在运行，尝试去打断
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
    // 任务状态不是创建
    if (!(state == NEW &&
          // 并且不能把 new 状态置为取消
          UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
              mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
        // 直接返回 false
        return false;
    // 进行取消操作，打断可能会抛异常，选择 try/finally结构
    try {    // in case call to interrupt throws exception
        if (mayInterruptIfRunning) {
            try {
                Thread t = runner;
                if (t != null)
                    t.interrupt();
            } finally { // final state
                //状态设置成已打断
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
            }
        }
    } finally {
        // 清理线程
        finishCompletion();
    }
    return true;
}