Java的異步編程是一項非常常用的多線程技術(shù)。
之前通過源碼詳細分析了ThreadPoolExecutor《你真的懂ThreadPoolExecutor線程池技術(shù)嗎襟企?看了源碼你會有全新的認識》。通過創(chuàng)建一個ThreadPoolExecutor,往里面丟任務就可以實現(xiàn)多線程異步執(zhí)行了扬绪。
但之前的任務主要傾向于線程池荠呐,并沒有講到異步編程方面的內(nèi)容赛蔫。本文將通過介紹Executor+Future框架(FutureTask是實現(xiàn)的核心),來深入了解下Java的異步編程泥张。
萬事從示例開始呵恢,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媚创。
使用示例
Demo:
使用上比較簡單渗钉,
運行結(jié)果:
任務1異步執(zhí)行:0
任務2異步執(zhí)行:0
任務2異步執(zhí)行:1
...
任務2異步執(zhí)行:45
同步代碼
任務2異步執(zhí)行:24
...
任務1異步執(zhí)行:199
任務1:執(zhí)行完成
...
任務2異步執(zhí)行:199
任務2:執(zhí)行完成
假若你多次執(zhí)行這個程序,會發(fā)現(xiàn)結(jié)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(zhí)行的鳄橘,打印的結(jié)果當然是隨機的声离。
回顧這個Demo做了什么,
- 構(gòu)建了一個線程池
- 往線程池里面丟兩個需要執(zhí)行的任務
- 最后獲取這兩個任務的結(jié)果
其中第二點是異步執(zhí)行兩個任務瘫怜,這兩個任務和主線程分別是用了三個線程并發(fā)執(zhí)行的术徊,第三點是在主線程中同步等待兩個任務的結(jié)果。
很容易看出來鲸湃,異步編程的好處就在于可以讓不相干的任務異步執(zhí)行赠涮,不阻塞主線程。若是主線程需要異步執(zhí)行的結(jié)果暗挑,此時再去等待結(jié)果會更加高效笋除,提高程序的執(zhí)行效率。
下面來看看整個流程的實現(xiàn)原理窿祥。
源碼分析
一般在實際項目中株憾,都會有配置有自己的線程池,建議大家在用異步編程時晒衩,配置一個專用的線程池嗤瞎,做好線程隔離,避免異步線程影響到其他模塊的工作听系。Demo中為了方便贝奇,直接調(diào)用Exectors的方法生成一個臨時的線程池,日常不建議使用靠胜。
我們從這個ExecutorService.submit()
方法入手掉瞳,看看整體實現(xiàn)。
ExecutorService.submit()
定義一個接口浪漠。這個接口接收一個Callable參數(shù)(執(zhí)行的任務)陕习,返回一個Future(計算結(jié)果)。
Callable
址愿,相當于一個需要執(zhí)行的任務该镣。它不接收任何參數(shù),可以返回結(jié)果响谓,可以拋出異常损合。相類似的還有Runnable
,它也是不接收娘纷,不同點在于它不返回結(jié)果嫁审,也不拋異常,異常需要在任務內(nèi)部處理赖晶÷墒剩總結(jié)來說Callable
更像一個方法的調(diào)用,Runnable
則是一個不需要理會結(jié)果的調(diào)用。在JDK 8以后擦耀,它們都可以通過Lamda表達式寫法去替代內(nèi)部類的寫法(詳見Demo)棉圈。
Future
,一個異步計算的結(jié)果眷蜓。調(diào)用get()
方法可以得到對應的計算結(jié)果分瘾,如果調(diào)用時沒有異步計算完,會阻塞等待計算的結(jié)果吁系。同時它還提供方法可以嘗試取消任務的執(zhí)行德召。
看回ExecutorService.submit()
的實現(xiàn),代碼在實現(xiàn)類AbstractExecutorService
中汽纤。
除了它接口的實現(xiàn)上岗,還提供了兩種變形。原來接口只接收
Callable
參數(shù)蕴坪,實現(xiàn)類中還新增了接收Runnable
參數(shù)的肴掷。
如果看過之前寫的《你真的懂ThreadPoolExecutor線程池技術(shù)嗎?看了源碼你會有全新的認識》背传,應該了解ThreadPoolExecutor
執(zhí)行任務是可以調(diào)用execute()
方法的呆瞻。而這里面submit()
方法則是為Callable/Runnable
加多一層FutureTask
,從而
使執(zhí)行結(jié)果有一個存放的地方径玖,同時也添加一個可以取消的功能痴脾。原本的execute()
只能執(zhí)行任務,不會返回結(jié)果的梳星,具體實現(xiàn)原理可以看看之前的文章分析赞赖。
FutureTask
是RunnableFuture
的實現(xiàn)。而RunnableFuture
是繼承Future
和Runnable
接口的冤灾,定義run()
接口前域。
因為
FutureTask
有run()
接口,所以可以直接用一個Callable/Runnable
創(chuàng)建一個FutureTask
單獨執(zhí)行韵吨。但這樣并沒有異步的效果话侄,因為沒有啟用新的線程去跑,而是在原來的線程阻塞執(zhí)行的学赛。
到這里我們清楚知道了,submit()
方法重點是利用Callable/Runnable
創(chuàng)建一個FutureTask
吞杭,然后多線程執(zhí)行run()
方法盏浇,達到異步處理并且得到結(jié)果的效果。而FutureTask
的重點則是run()
方法如何持有保存計算的結(jié)果芽狗。
FutureTask.run()
首先判斷
futureTask
對象的state
狀態(tài)绢掰,如果不是NEW的話,證明已經(jīng)開始運行過了,則退出執(zhí)行滴劲。同時futureTask
對象通過CAS攻晒,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(zhí)行的)班挖,如果CAS失敗則退出鲁捏。
外層try{}
代碼塊中,對callable
判空和state
狀態(tài)必須是NEW萧芙。內(nèi)層try{}
代碼真正調(diào)用callable
给梅,開始執(zhí)行任務。若執(zhí)行成功双揪,則把ran
變量設為true动羽,保存結(jié)果在result
變量中,證明已跑成功過了渔期;若拋異常了运吓,則設為false,result
為空疯趟,并且調(diào)用setException()
保存異常拘哨。最后如果ran
為true的話,則調(diào)用set()
保存result
結(jié)果迅办。
看下setException()
和set()
的實現(xiàn)宅静。
兩者的基本流程一樣,CAS置換狀態(tài)站欺,保存結(jié)果在
outcome
變量道中姨夹,但setException()
保存的結(jié)果類型固定是Throwable
。另外一個不同在于最終state
狀態(tài)矾策,一個是EXCEPTION磷账,一個是NORMAL。
這兩個方法最后都調(diào)用了finishCompletion()
贾虽。這個方法主要是配合線程池喚醒下一個任務逃糟。
FutureTask.get()
從上面run()
方法得知,最后執(zhí)行的結(jié)果放在了outcome
變量中蓬豁。那最終怎么從其中取出結(jié)果來绰咽,我們來看看get()
方法。
從源碼可知地粪,
get()
方法分兩步取募。第一步,先判斷狀態(tài)蟆技,如果計算為完成玩敏,則需要阻塞地等待完成斗忌。第二步,如果完成了旺聚,則調(diào)用report()
方法獲取結(jié)果并返回织阳。
先看看awaitDone()
阻塞等待完成。該方法可以選用超時功能砰粹。
在自旋的for()循環(huán)中唧躲,
- 先判斷是否線程被中斷,中斷的話拋異常退出伸眶。
- 然后開始判斷運行的
state
值惊窖,如果state
大于COMPLETING
,證明計算已經(jīng)是終態(tài)了厘贼,此時返回終態(tài)變量界酒。 - 若
state
等于COMPLETING
,證明已經(jīng)開始計算嘴秸,并且還在計算中毁欣。此時為了避免過多的CPU時間放在這個for循環(huán)的自旋上,程序執(zhí)行Thread.yield()
岳掐,把線程從運行態(tài)降為就緒態(tài)凭疮,讓出CPU時間。 - 若以上狀態(tài)都不是串述,則證明
state
為NEW
执解,還沒開始執(zhí)行。那么程序在當前循環(huán)現(xiàn)在會新增一個WaitNode
纲酗,在下一個循環(huán)里面調(diào)用LockSupport.park()
把當前線程阻塞衰腌。當run()
方法結(jié)束的時候,會再次喚醒此線程觅赊,避免自旋消耗CPU時間右蕊。 - 如果選用了超時功能,在阻塞和自旋過程中超時了吮螺,則會返回當前超時的狀態(tài)饶囚。
第二步的report()
方法比較簡單。
- 如果狀態(tài)是
NORMAL
鸠补,正常結(jié)束的話萝风,則把outcome
變量返回; - 如果是取消或者中斷狀態(tài)的紫岩,則拋出取消異常闹丐;
- 如果是
EXCEPTION
,則把outcome
當作異常拋出(之前setException()
保存的類型就是Throwable
)被因。從而整個get()
會有一個異常拋出卿拴。
總結(jié)
至此我們已經(jīng)比較完整地了解Executor+Future的框架原理了,而FutureTask則是該框架的主要實現(xiàn)梨与。下面總結(jié)下要點
-
Executor.sumbit()
方法異步執(zhí)行一個任務堕花,并且返回一個Future結(jié)果。 -
submit()
的原理是利用Callable
創(chuàng)建一個FutureTask
對象粥鞋,然后執(zhí)行對象的run()
方法缘挽,把結(jié)果保存在outcome
中。 - 調(diào)用
get()
獲取outcome
時呻粹,如果任務未完成壕曼,會阻塞線程,等待執(zhí)行完畢等浊。 - 異常和正常結(jié)果都放在
outcome
中腮郊,調(diào)用get()
獲取結(jié)果或拋出異常。
更多技術(shù)文章筹燕、精彩干貨轧飞,請關(guān)注
博客:zackku.com
微信公眾號:Zack說碼