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:

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進程,會發現結果大大的不一樣,因為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,提高進程的執行效率。

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中為了方便,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。總結來説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,實現類中還添加了接收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()方法則是為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。

FutureTaskRunnableFuture的實現。而RunnableFuture是繼承FutureRunnable接口的,定義run()接口。

因為FutureTaskrun()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,因為沒有啟用新的線程去跑,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,説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變量設為true,保存結果在result變量中,證明已跑成功過了;若拋異常了,則設為false,result為空,並且調用setException()保存異常。最後如果ran為true的話,則調用set()保存result結果。

看下setException()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,如果計算為完成,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。
  • state等於COMPLETING,證明已經開始計算,並且還在計算中。此時為了避免過多的CPU時間放在這個for循環的自旋上,進程執行Thread.yield(),把線程從運行態降為就緒態,讓出CPU時間。
  • 若以上狀態都不是,則證明stateNEW,還沒開始執行。那麼進程在當前循環現在會添加一個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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