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并发(十四)、Future类的使用和原理(转)
2021-05-17 10:36:38

java异步接口Future和Callable

Future是Concurrent包提供的一种异步得到结果的接口。
Future接口：

  1. public interface Future<V> {
  2.     // 取消当前的计算
  3.     boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
  4.     // 计算是否被取消
  5.     boolean isCancelled();
  6.     // 计算是否已经结束
  7.     boolean isDone();
  8.     // 得到计算的结果
  9.     V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
  10.     // 带有超时时间的get方法
  11.     V get(long timeout, TimeUnit unit)
  12.         throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
  13. }

Future里面的任务，必须实现Callable接口。
Callable接口：

  1. public interface Callable<V> {
  2.     // 要实现具体的计算逻辑
  3.     V call() throws Exception;
  4. }

state状态
当前计算的情况有下面这些状态

  1.     private volatile int state;
  2.     private static final int NEW          = 0;//初始
  3.     private static final int COMPLETING   = 1;//任务已经执行完或者出错，准备赋值
  4.     private static final int NORMAL       = 2;//任务正常执行完，并且已经赋值完
  5.     private static final int EXCEPTIONAL  = 3;//任务失败，把异常赋值回去
  6.     private static final int CANCELLED    = 4;//取消
  7.     private static final int INTERRUPTING = 5;//准备中断计算过程
  8.     private static final int INTERRUPTED  = 6;//对计算进行中断

下面以FutureTask类为例，叙述一遍Future的使用方法和原理。

一、使用FutureTask
FutureTask的实现接口：

测试代码：

  1. public class TestMain {
  2.     public static void main(String[] args) {
  3.         long start = System.currentTimeMillis();
  4.         Callable<Clothes> callable = new Callable<Clothes>() {
  5.             @Override
  6.             public Clothes call() throws Exception {
  7.                 Clothes clothes = new Clothes();
  8.                 clothes.washClothes();
  9.                 return clothes;
  10.             }
  11.         };
  12.         FutureTask<Clothes> futureTask = new FutureTask<Clothes>(callable);
  13.         new Thread(futureTask).start();
  14.         Dishes dishes = new Dishes();
  15.         dishes.washDishes();
  16.         Clothes clothes = null;
  17.         try {
  18.             clothes = futureTask.get();
  19.         } catch (InterruptedException e) {
  20.             e.printStackTrace();
  21.         } catch (ExecutionException e) {
  22.             e.printStackTrace();
  23.         }
  24.         if (clothes != null) {
  25.             System.out.println("===========over===========");
  26.         }
  27.         long end = System.currentTimeMillis();
  28.         System.out.println("all tasks cost "+(end - start)+" millis");
  29.         /*运行结果：
  30.         start to wash dishes
  31.         machine starts to wash cloths
  32.         all dishes are cleaned!!!
  33.         all clothes are cleaned!!!
  34.         ===========over===========
  35.         all tasks cost 3003 millis
  36.         */
  37.     }
  38.     static class Clothes {
  39.         public void washClothes() {
  40.             System.out.println("machine starts to wash cloths");
  41.             try {
  42.                 Thread.sleep(3000);
  43.             } catch (InterruptedException e) {
  44.                 e.printStackTrace();
  45.             }
  46.             System.out.println("all clothes are cleaned!!!");
  47.         }
  48.     }
  49.     static class Dishes {
  50.         public void washDishes() {
  51.             System.out.println("start to wash dishes");
  52.             try {
  53.                 Thread.sleep(2000);
  54.             } catch (InterruptedException e) {
  55.                 e.printStackTrace();
  56.             }
  57.             System.out.println("all dishes are cleaned!!!");
  58.         }
  59.     }
  60. }

由结果可看出Future的方法是异步的，所以总耗时是3s，如果同步的话应该是5s。
在代码的最开头，我们new了一个Callable对象，Callable对象会被当做任务丢到FutureTask里面执行。
启动线程就可以开始执行任务了。
下面具体说一下Future帮我们干了什么，为什么他是异步的。

二、 FutureTask的run()方法

  1. public void run() {
  2.         if (state != NEW ||
  3.             !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
  4.                                          null, Thread.currentThread()))
  5.             return;
  6.         try {
  7.             Callable<V> c = callable;// 全局变量，构造函数赋值
  8.             if (c != null && state == NEW) {
  9.                 V result;
  10.                 boolean ran;
  11.                 try {
  12.                     result = c.call();// callable的返回值
  13.                     ran = true;// Callable计算已经结束了
  14.                 } catch (Throwable ex) {
  15.                     result = null;
  16.                     ran = false;
  17.                     setException(ex);
  18.                 }
  19.                 if (ran)
  20.                     set(result);
  21.             }
  22.         } finally {
  23.             // runner must be non-null until state is settled to
  24.             // prevent concurrent calls to run()
  25.             runner = null;
  26.             // state must be re-read after nulling runner to prevent
  27.             // leaked interrupts
  28.             int s = state;
  29.             if (s >= INTERRUPTING)
  30.                 handlePossibleCancellationInterrupt(s);
  31.         }
  32.     }

run方法很直接，直接调用Callable的call方法获取值，获取到值了，就令ran为true，然后调用set方法。

三、 set()方法
set方法会调用finishCompletion，

  1. protected void set(V v) {
  2.         if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
  3.             outcome = v;
  4.             // outcome是计算出来的结果，或者抛出的异常
  5.             UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
  6.             finishCompletion();
  7.         }
  8.     }

3.1、 finishCompletion()方法
WaitNode节点是Treiber stack的节点，就是一个排队等待的线程队列。

  1. private void finishCompletion() {
  2.         // assert state > COMPLETING;
  3.         for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
  4.             if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
  5.                 for (;;) {
  6.                     //唤醒队列中等待的线程
  7.                     Thread t = q.thread;
  8.                     if (t != null) {
  9.                         q.thread = null;
  10.                         LockSupport.unpark(t);//唤醒线程，加锁在get里面，如果没有加锁，正常向下执行
  11.                     }
  12.                     WaitNode next = q.next;
  13.                     if (next == null)
  14.                         break;
  15.                     q.next = null; // unlink to help gc
  16.                     q = next;
  17.                 }
  18.                 break;
  19.             }
  20.         }
  22.         done();// protected方法，钩子函数，留给程序员自己实现
  24.         callable = null;        // to reduce footprint
  25.     }

四、 get()方法

  1. public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
  2.         int s = state;
  3.         if (s <= COMPLETING)
  4.         //计算没完成，进入awaitDone
  5.             s = awaitDone(false, 0L);
  6.         return report(s);
  7.     }

4.1 awaitDone()
awaitDone用死循环等待结果，也就是说会阻塞在这里。

  1. private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
  2.         throws InterruptedException {
  3.         final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
  4.         WaitNode q = null;
  5.         boolean queued = false;
  6.         for (;;) {
  7.             //死循环等待
  8.             if (Thread.interrupted()) {
  9.                 removeWaiter(q);
  10.                 throw new InterruptedException();
  11.             }
  13.             int s = state;
  14.             if (s > COMPLETING) {
  15.                 // 计算完成了就返回
  16.                 if (q != null)
  17.                     q.thread = null;
  18.                 return s;
  19.             }
  20.             // 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
  21.             else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
  22.                 Thread.yield();
  23.             else if (q == null)
  24.                 q = new WaitNode();
  25.             else if (!queued)
  26.             /*  当前节点未入栈
  27.              *  这是Treiber Stack算法入栈的逻辑。
  28.              *  Treiber Stack是一个基于CAS的无锁并发栈实现,
  29.              *  更多可以参考https://en.wikipedia.org/wiki/Treiber_Stack
  30.              */
  31.                 queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
  32.                                                      q.next = waiters, q);
  33.             else if (timed) {
  34.                 nanos = deadline - System.nanoTime();
  35.                 if (nanos <= 0L) {
  36.                     // 超时，移除节点
  37.                     removeWaiter(q);
  38.                     return state;
  39.                 }
  40.                 LockSupport.parkNanos(this, nanos);
  41.             }
  42.             else //这里阻塞住
  43.                 LockSupport.park(this);
  44.         }
  45.     }

4.2 report()
report把结果赋值回去

  1. private V report(int s) throws ExecutionException {
  2.         Object x = outcome;
  3.         if (s == NORMAL)//正常得到了结果
  4.             return (V)x;
  5.         if (s >= CANCELLED)
  6.             throw new CancellationException();
  7.         throw new ExecutionException((Throwable)x);
  8.     }

总结
FutureTask在底层开了一个死循环用于等待结果，当线程得到结果时，跳出循环，借此实现的异步操作。注意，我们一般在使用Future的时候，都不会用本文中new线程的方式，而是采用连接池中的线程。
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原文链接：https://blog.csdn.net/qq_15764477/article/details/109366729

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啊！这个可能是世界上最丑的留言输入框功能~


当然，也是最丑的留言列表

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