前言
上一篇內(nèi)容寫了Java中線程池的實(shí)現(xiàn)原理及源碼分析嫌褪，說好的是實(shí)實(shí)在在的大滿足，想通過一篇文章讓大家對(duì)線程池有個(gè)透徹的了解，但是文章寫完總覺得還缺點(diǎn)什么?
上篇文章只提到線程提交的execute()方法，并沒有講解線程提交的submit()方法芒珠，submit()有一個(gè)返回值，可以獲取線程執(zhí)行的結(jié)果Future<T>缨伊，這一講就那深入學(xué)習(xí)下submit()和FutureTask實(shí)現(xiàn)原理。
使用場(chǎng)景&示例
使用場(chǎng)景
我能想到的使用場(chǎng)景就是在并行計(jì)算的時(shí)候进宝，例如一個(gè)方法中調(diào)用methodA()刻坊、methodB()，我們可以通過線程池異步去提交方法A党晋、B谭胚，然后在主線程中獲取組裝方法A徐块、B計(jì)算后的結(jié)果，能夠大大提升方法的吞吐量灾而。
使用示例
/**
* @author wangmeng
* @date 2020/5/28 15:30
*/
public class FutureTaskTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
System.out.println("====執(zhí)行FutureTask線程任務(wù)====");
Future<String> futureTask = threadPool.submit(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
System.out.println("FutureTask執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯");
Thread.sleep(2000);
System.out.println("FutureTask業(yè)務(wù)邏輯執(zhí)行完畢胡控！");
return "歡迎關(guān)注: 一枝花算不算浪漫！";
}
});
System.out.println("====執(zhí)行主線程任務(wù)====");
Thread.sleep(1000);
boolean flag = true;
while(flag){
if(futureTask.isDone() && !futureTask.isCancelled()){
System.out.println("FutureTask異步任務(wù)執(zhí)行結(jié)果：" + futureTask.get());
flag = false;
}
}
threadPool.shutdown();
}
}
上面的使用很簡(jiǎn)單绰疤，submit()內(nèi)部傳遞的實(shí)際上是個(gè)Callable接口铜犬，我們自己實(shí)現(xiàn)其中的call()方法舞终，我們通過futureTask既可以獲取到具體的返回值轻庆。
submit()實(shí)現(xiàn)原理
submit() 是也是提交任務(wù)到線程池，只是它可以獲取任務(wù)返回結(jié)果敛劝，返回結(jié)果是通過FutureTask來實(shí)現(xiàn)的余爆，先看下ThreadPoolExecutor中代碼實(shí)現(xiàn)：
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
execute(ftask);
return ftask;
}
}
public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
return new FutureTask<T>(callable);
}
}
提交任務(wù)還是執(zhí)行execute()方法，只是task被包裝成了FutureTask 夸盟，也就是在excute()中啟動(dòng)線程后會(huì)執(zhí)行FutureTask.run()方法蛾方。
再來具體看下它執(zhí)行的完整鏈路圖：
上圖可以看到，執(zhí)行任務(wù)并返回執(zhí)行結(jié)果的核心邏輯實(shí)在FutureTask中上陕，我們以FutureTask.run/get 兩個(gè)方法為突破口桩砰，一點(diǎn)點(diǎn)剖析FutureTask的實(shí)現(xiàn)原理。
FutureTask源碼初探
先看下FutureTask中部分屬性：
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
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;
private Callable<V> callable;
private Object outcome;
private volatile Thread runner;
private volatile WaitNode waiters;
}
- state
當(dāng)前task狀態(tài)释簿，共有7中類型亚隅。
NEW： 當(dāng)前任務(wù)尚未執(zhí)行
COMPLETING: 當(dāng)前任務(wù)正在結(jié)束，尚未完全結(jié)束庶溶，一種臨界狀態(tài)
NORMAL：當(dāng)前任務(wù)正常結(jié)束
EXCEPTIONAL: 當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行過程中發(fā)生了異常煮纵。
CANCELLED: 當(dāng)前任務(wù)被取消
INTERRUPTING: 當(dāng)前任務(wù)中斷中..
INTERRUPTED: 當(dāng)前任務(wù)已中斷
- callble
用戶提交任務(wù)傳遞的Callable，自定義call方法偏螺，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯
- outcome
任務(wù)結(jié)束時(shí)行疏，outcome保存執(zhí)行結(jié)果或者異常信息。
- runner
當(dāng)前任務(wù)被線程執(zhí)行期間套像，保存當(dāng)前任務(wù)的線程對(duì)象引用
- waiters
因?yàn)闀?huì)有很多線程去get當(dāng)前任務(wù)的結(jié)果酿联，所以這里使用了一種stack數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保存
FutureTask.run()實(shí)現(xiàn)原理
我們已經(jīng)知道在線程池runWorker()中最終會(huì)調(diào)用到FutureTask.run()方法中，我們就來看下它的執(zhí)行原理吧：
具體代碼如下：
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
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 = null;
int s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
}
}
首先是判斷FutureTask中state狀態(tài)夺巩，必須是NEW才可以繼續(xù)執(zhí)行货葬。
然后通過CAS修改runner引用為當(dāng)前線程。
接著執(zhí)行用戶自定義的call()方法劲够，將返回結(jié)果設(shè)置到result中震桶，result可能為正常返回也可能為異常信息。這里主要是調(diào)用set()/setException()
FutureTask.set()實(shí)現(xiàn)原理
set()方法的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單征绎，直接看下代碼：
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
protected void set(V v) {
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
outcome = v;
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL);
finishCompletion();
}
}
}
將call()返回的數(shù)據(jù)賦值給全局變量outcome上蹲姐，然后修改state狀態(tài)為NORMAL磨取，最后調(diào)用finishCompletion()來做掛起線程的喚醒操作，這個(gè)方法等到get()后面再來講解柴墩。
FutureTask.get()實(shí)現(xiàn)原理
接著看下代碼：
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}
}
如果FutureTask中state為NORMAL或者COMPLETING忙厌，說明當(dāng)前任務(wù)并沒有執(zhí)行完成，調(diào)用get()方法會(huì)被阻塞江咳，具體的阻塞邏輯在awaitDone()方法：
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)
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);
}
}
這個(gè)方法可以說是FutureTask中最核心的方法了逢净，一步步來分析：
如果timed不為空，這說明指定nanos時(shí)間還未返回結(jié)果歼指，線程就會(huì)退出爹土。
q是一個(gè)WaitNode對(duì)象，是將當(dāng)前引用線程封裝在一個(gè)stack數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中踩身，WaitNode對(duì)象屬性如下：
static final class WaitNode {
volatile Thread thread;
volatile WaitNode next;
WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}
接著判斷當(dāng)前線程是否中斷胀茵，如果中斷則拋出中斷異常。
下面就進(jìn)入一輪輪的if... else if...判斷邏輯挟阻，我們還是采用分支的方式去分析琼娘。
分支一：if (s > COMPLETING) {
此時(shí)get()方法已經(jīng)有結(jié)果了，無論是正常返回的結(jié)果附鸽，還是異常脱拼、中斷、取消等坷备，此時(shí)直接返回state狀態(tài)熄浓，然后執(zhí)行report()方法。
分支二：else if (s == COMPLETING)
條件成立击你，說明當(dāng)前任務(wù)接近完成狀態(tài)玉组，這里讓當(dāng)前線程再釋放cpu，進(jìn)行下一輪搶占cpu丁侄。
分支三：else if (q == null)
第一次自旋執(zhí)行惯雳，WaitNode還沒有初始化，初始化q=new WaitNode();
分支四：else if (!queued){
queued代表當(dāng)前線程是否入棧鸿摇，如果沒有入棧則進(jìn)行入棧操作石景，順便將全局變量waiters指向棧頂元素。
分支五/六：LockSupport.park
如果設(shè)置了超時(shí)時(shí)間拙吉，則使用parkNanos來掛起當(dāng)前線程潮孽，否則使用park()
經(jīng)過這么一輪自旋循環(huán)后，如果執(zhí)行call()還沒有返回結(jié)果筷黔，那么調(diào)用get()方法的線程都會(huì)被掛起往史。
被掛起的線程會(huì)等待run()返回結(jié)果后依次喚醒，具體的執(zhí)行邏輯在finishCompletion()中佛舱。
最終stack結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)如下：
FutureTask.finishCompletion()實(shí)現(xiàn)原理
具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：
private void finishCompletion() {
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;
q = next;
}
break;
}
}
done();
callable = null;
}
代碼實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單椎例，看過get()方法后挨决，我們知道所有調(diào)用get()方法的線程，在run()還沒有返回結(jié)果前订歪，都會(huì)保存到一個(gè)有WaitNode構(gòu)成的statck數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中脖祈，而且每個(gè)線程都會(huì)被掛起。
這里是遍歷waiters棧頂元素刷晋，然后依次查詢起next節(jié)點(diǎn)進(jìn)行喚醒盖高，喚醒后的節(jié)點(diǎn)接著會(huì)往后調(diào)用report()方法。
FutureTask.report()實(shí)現(xiàn)原理
具體代碼如下：
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);
}
這個(gè)方法很簡(jiǎn)單眼虱，因?yàn)閳?zhí)行到了這里喻奥，說明當(dāng)前state狀態(tài)肯定大于COMPLETING，判斷如果是正常返回蒙幻，那么返回outcome數(shù)據(jù)映凳。
如果state是取消狀態(tài)胆筒，拋出CancellationException異常邮破。
如果狀態(tài)都不滿足，則說明執(zhí)行中出現(xiàn)了差錯(cuò)仆救，直接拋出ExecutionException
FutureTask.cancel()實(shí)現(xiàn)原理
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
if (!(state == NEW && UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
return false;
try {
if (mayInterruptIfRunning) {
try {
Thread t = runner;
if (t != null)
t.interrupt();
} finally {
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
}
}
} finally {
finishCompletion();
}
return true;
}
cancel()方法的邏輯很簡(jiǎn)單抒和，就是修改state狀態(tài)為CANCELLED，然后調(diào)用finishCompletion()來喚醒等待的線程彤蔽。
這里如果mayInterruptIfRunning摧莽，就會(huì)先中斷當(dāng)前線程，然后再去喚醒等待的線程顿痪。
總結(jié)
FutureTask的實(shí)現(xiàn)原理其實(shí)很簡(jiǎn)單镊辕，每個(gè)方法基本上都畫了一個(gè)簡(jiǎn)單的流程圖來方便立即。
后面還打算分享一個(gè)BlockingQueue相關(guān)的源碼解讀蚁袭，這樣線程池也可以算是完結(jié)了征懈。
在這之前可能會(huì)先分享一個(gè)SpringCloud常見配置代碼分析、最佳實(shí)踐等手冊(cè)揩悄，方便工作中使用卖哎，也是對(duì)之前看過的源碼一種總結(jié)。敬請(qǐng)期待删性！
歡迎關(guān)注：
