Java異步編程——深入源碼分析FutureTask

Java的異步編程是一項非常常用的多線程技術。

之前通過源碼詳細分析了ThreadPoolExecutor《你真的懂ThreadPoolExecutor線程池技術嗎？看了源碼你會有全新的認識》。通過創建一個ThreadPoolExecutor，往裏面丟任務就可以實現多線程異步執行了。

但之前的任務主要傾向於線程池，並沒有講到異步編程方面的內容。本文將通過介紹Executor+Future框架（FutureTask是實現的核心），來深入瞭解下Java的異步編程。

萬事從示例開始，我們先通過示例Demo有一個直觀的印象，再深入去了解概念與原理。

使用示例

Demo：

<!-- more -->使用上比較簡單，

運行結果：

任務1異步執行：0
任務2異步執行：0
任務2異步執行：1
...
任務2異步執行：45
同步代碼
任務2異步執行：24
...
任務1異步執行：199
任務1:執行完成
...
任務2異步執行：199
任務2：執行完成

假若你多次執行這個程序，會發現結果大大的不一樣，因爲兩個任務和同步代碼是異步由多條線程執行的，打印的結果當然是隨機的。

回顧這個Demo做了什麼，

1. 構建了一個線程池
2. 往線程池裏面丟兩個需要執行的任務
3. 最後獲取這兩個任務的結果

其中第二點是異步執行兩個任務，這兩個任務和主線程分別是用了三個線程併發執行的，第三點是在主線程中同步等待兩個任務的結果。

很容易看出來，異步編程的好處就在於可以讓不相干的任務異步執行，不阻塞主線程。若是主線程需要異步執行的結果，此時再去等待結果會更加高效，提高程序的執行效率。

下面來看看整個流程的實現原理。

源碼分析

一般在實際項目中，都會有配置有自己的線程池，建議大家在用異步編程時，配置一個專用的線程池，做好線程隔離，避免異步線程影響到其他模塊的工作。Demo中爲了方便，直接調用Exectors的方法生成一個臨時的線程池，日常不建議使用。

我們從這個ExecutorService.submit()方法入手，看看整體實現。

ExecutorService.submit()定義一個接口。這個接口接收一個Callable參數（執行的任務），返回一個Future（計算結果）。

Callable，相當於一個需要執行的任務。它不接收任何參數，可以返回結果，可以拋出異常。相類似的還有Runnable，它也是不接收，不同點在於它不返回結果，也不拋異常，異常需要在任務內部處理。總結來說Callable更像一個方法的調用，Runnable則是一個不需要理會結果的調用。在JDK 8以後，它們都可以通過Lamda表達式寫法去替代內部類的寫法（詳見Demo）。

Future，一個異步計算的結果。調用get()方法可以得到對應的計算結果，如果調用時沒有異步計算完，會阻塞等待計算的結果。同時它還提供方法可以嘗試取消任務的執行。

看回ExecutorService.submit()的實現，代碼在實現類AbstractExecutorService中。

除了它接口的實現，還提供了兩種變形。原來接口只接收Callable參數，實現類中還新增了接收Runnable參數的。

如果看過之前寫的《你真的懂ThreadPoolExecutor線程池技術嗎？看了源碼你會有全新的認識》，應該瞭解ThreadPoolExecutor執行任務是可以調用execute()方法的。而這裏面submit()方法則是爲Callable/Runnable加多一層FutureTask，從而
使執行結果有一個存放的地方，同時也添加一個可以取消的功能。原本的execute()只能執行任務，不會返回結果的，具體實現原理可以看看之前的文章分析。

FutureTask是RunnableFutre的實現。而RunableFuture是繼承Future和Runnable接口的，定義run()接口。

因爲FutureTask有run()接口，所以可以直接用一個Callable/Runnable創建一個FutureTask單獨執行。但這樣並沒有異步的效果，因爲沒有啓用新的線程去跑，而是在原來的線程阻塞執行的。

到這裏我們清楚知道了，submit()方法重點是利用Callable/Runnable創建一個FutureTask，然後多線程執行run()方法，達到異步處理並且得到結果的效果。而FutureTask的重點則是run()方法如何持有保存計算的結果。

FutureTask.run()

首先判斷futureTask對象的state狀態，如果不是NEW的話，證明已經開始運行過了，則退出執行。同時futureTask對象通過CAS，把當前線程賦值給變量runner（是Thread類型，說明對象使用哪個線程執行的），如果CAS失敗則退出。

外層try{}代碼塊中，對callable判空和state狀態必須是NEW。內層try{}代碼真正調用callable，開始執行任務。若執行成功，則把ran變量設爲true，保存結果在result變量中，證明已跑成功過了；若拋異常了，則設爲false，result爲空，並且調用setException()保存異常。最後如果ran爲true的話，則調用set()保存result結果。

看下setException()和set()的實現。

兩者的基本流程一樣，CAS置換狀態，保存結果在outcome變量道中，但setException()保存的結果類型固定是Throwable。另外一個不同在於最終state狀態，一個是EXCEPTION，一個是NORMAL。

這兩個方法最後都調用了finishCompletion()。這個方法主要是配合線程池喚醒下一個任務。

FutureTask.get()

從上面run()方法得知，最後執行的結果放在了outcome變量中。那最終怎麼從其中取出結果來，我們來看看get()方法。

從源碼可知，get()方法分兩步。第一步，先判斷狀態，如果計算爲完成，則需要阻塞地等待完成。第二步，如果完成了，則調用report()方法獲取結果並返回。

先看看awaitDone()阻塞等待完成。該方法可以選用超時功能。

在自旋的for()循環中，

• 先判斷是否線程被中斷，中斷的話拋異常退出。
• 然後開始判斷運行的state值，如果state大於COMPLETING，證明計算已經是終態了，此時返回終態變量。
• 若state等於COMPLETING，證明已經開始計算，並且還在計算中。此時爲了避免過多的CPU時間放在這個for循環的自旋上，程序執行Thread.yield()，把線程從運行態降爲就緒態，讓出CPU時間。
• 若以上狀態都不是，則證明state爲NEW，還沒開始執行。那麼程序在當前循環現在會新增一個WaitNode，在下一個循環裏面調用 LockSupport.park()把當前線程阻塞。當run()方法結束的時候，會再次喚醒此線程，避免自旋消耗CPU時間。
• 如果選用了超時功能，在阻塞和自旋過程中超時了，則會返回當前超時的狀態。

第二步的report()方法比較簡單。

• 如果狀態是NORMAL，正常結束的話，則把outcome變量返回；
• 如果是取消或者中斷狀態的，則拋出取消異常；
• 如果是EXCEPTION，則把outcome當作異常拋出（之前setException()保存的類型就是Throwable）。從而整個get()會有一個異常拋出。

總結

至此我們已經比較完整地瞭解Executor+Future的框架原理了，而FutureTask則是該框架的主要實現。下面總結下要點

1. Executor.sumbit()方法異步執行一個任務，並且返回一個Future結果。
2. submit()的原理是利用Callable創建一個FutureTask對象，然後執行對象的run()方法，把結果保存在outcome中。
3. 調用get()獲取outcome時，如果任務未完成，會阻塞線程，等待執行完畢。
4. 異常和正常結果都放在outcome中，調用get()獲取結果或拋出異常。

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