FutureTask實現(xiàn)原理

多線程實現(xiàn)方式 文中講述了幾種開啟多線程的方式温兼,每種方式都有其特定的使用場景,本文將剖析帶有返回值的線程實現(xiàn)方式赊抖。FutureTask類關(guān)系如下:

image.png

首先看FutureTask的兩個構(gòu)造方法:

    //構(gòu)造方法一
    public FutureTask(Callable<V> callable) {
        if (callable == null)
            throw new NullPointerException();
        this.callable = callable;
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }
    //構(gòu)造方法二
    public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
        //將runnable包裝成callable
        this.callable = Executors.callable(runnable, result);
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

第一個構(gòu)造方法我們比較熟悉,第二個構(gòu)造方法可以用 Runnable 構(gòu)造 FutureTask不跟,將 Runnable 使用適配器模式 構(gòu)造成 FutureTask 柒巫,使其具有 FutureTask 的特性励堡,如可在主線程捕獲Runnable的子線程異常。

構(gòu)造完FutureTask堡掏,就可以用FutureTask構(gòu)造Thread应结,并啟動線程。啟動線程會調(diào)用FutureTask的run()方法泉唁,run()方法是FutureTask的實現(xiàn)關(guān)鍵:

   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 {
                    //1鹅龄、獲取返回值
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    //2、FutureTask的異常處理關(guān)鍵
                    setException(ex);
                }
                if (ran)
                    //3亭畜、設(shè)置返回值
                    set(result);
            }
        } finally {
            // runner must be non-null until state is settled to
            // prevent concurrent calls to run()
            runner = null;
            // state must be re-read after nulling runner to prevent
            // leaked interrupts
            int s = state;
            if (s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
    }
    //異常處理
     protected void setException(Throwable t) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = t;
            //設(shè)置為異常狀態(tài)
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL);
            finishCompletion();
        }
    }
     //設(shè)置正常返回值
     protected void set(V v) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = v;
            //設(shè)置為正常結(jié)束狀態(tài)
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

在run()方法中扮休,會調(diào)用callable對象的call()方法,并獲取方法返回值拴鸵,同時對call()方法中的異常進行了處理玷坠。異常時會將outcome設(shè)置為拋出的異常,正常時會將outcome設(shè)置為正常返回值劲藐,并將state設(shè)置成相應(yīng)狀態(tài)八堡。

run()分析完,下一步就要分析future.get()獲取線程返回結(jié)果時如何工作聘芜。

   public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        //未完成兄渺,則進入阻塞狀態(tài),等待完成
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L);
        return report(s);  //判斷處理返回值
    }

    private V report(int s) throws ExecutionException {
        Object x = outcome;
        //根據(jù)state判斷線程處理狀態(tài)汰现,并對outcome返回結(jié)果進行強轉(zhuǎn)挂谍。
        if (s == NORMAL)
            return (V)x;
        if (s >= CANCELLED)
            throw new CancellationException();
        throw new ExecutionException((Throwable)x); //在主線程中拋出異常
    }

分析完run()方法和get()方法,其實對于FutureTask的返回值獲取原理有了基本了解瞎饲。下面繼續(xù)分析其他要點:

1口叙、線程狀態(tài)

    //FutureTask定義的7種線程狀態(tài)
    private volatile int state;
    private static final int NEW          = 0;
    private static final int COMPLETING   = 1; //設(shè)置返回值的過程,這個狀態(tài)很短企软,可以劃分為已完成狀態(tài)庐扫。參考isDone()方法饭望;
    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;
    //是否已取消
    public boolean isCancelled() {
        return state >= CANCELLED;
    }
    //是否已完成
    public boolean isDone() {
        return state != NEW;
    }

線程的狀態(tài)在執(zhí)行過程不同階段不斷變化仗哨,這是FutureTask的狀態(tài)控制關(guān)鍵。注意state是volatile修飾铅辞,保障了多線程間的可見性厌漂。

2、阻塞等待
線程status為NEW和COMPLETING的時候斟珊,會進入awaitDone方法苇倡,表示要等待完成。awaitDone方法如下:

    private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
        final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
        WaitNode q = null;
        boolean queued = false;
        for (;;) {
            //線程是否被打斷
            if (Thread.interrupted()) {
                removeWaiter(q);
                throw new InterruptedException();
            }

            int s = state;
            //已完成
            if (s > COMPLETING) {
                if (q != null)
                    q.thread = null;
                return s;
            } //正在處理返回值,這里時間很短旨椒,所以調(diào)用Thread.yield()方法晓褪,短時間的線程讓步。
            else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
                Thread.yield();
            else if (q == null) //創(chuàng)建等待節(jié)點
                q = new WaitNode();
            else if (!queued) //CAS把該線程加入等待隊列
                queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                     q.next = waiters, q);
            else if (timed) { //超時等待
                nanos = deadline - System.nanoTime();
                if (nanos <= 0L) {
                    removeWaiter(q);
                    return state;
                }
                //阻塞一段時間
                LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
            else
                //線程阻塞综慎,等待被喚醒
                LockSupport.park(this);
        }
    }

整個awaitDone的流程涣仿,暗含很多優(yōu)化邏輯,值得思考示惊。

3好港、喚醒

 private void finishCompletion() {
        // assert state > COMPLETING;
        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); //喚醒線程
                    }
                    WaitNode next = q.next;
                    if (next == null)
                        break;
                    q.next = null; // unlink to help gc
                    q = next;
                }
                break;
            }
        }

        done();

        callable = null;        // to reduce footprint
    }

finishCompletion()會在一下三處被調(diào)用:


image.png

在任務(wù)被取消、正常完成或執(zhí)行異常時會調(diào)用finishCompletion()方法米罚,從而喚醒等待隊列中的線程钧汹。

多線程系列目錄(不斷更新中):
線程啟動原理
線程中斷機制
多線程實現(xiàn)方式
FutureTask實現(xiàn)原理
線程池之ThreadPoolExecutor概述
線程池之ThreadPoolExecutor使用
線程池之ThreadPoolExecutor狀態(tài)控制
線程池之ThreadPoolExecutor執(zhí)行原理
線程池之ScheduledThreadPoolExecutor概述
線程池之ScheduledThreadPoolExecutor調(diào)度原理
線程池的優(yōu)雅關(guān)閉實踐

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