JUC-Future与FutureTask原理是什么

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1 Future

Future  表示一个任务的生命周期，是一个可取消的异步运算。提供了相应的方法来判断任务状态(完成或取消)，以及获取任务的结果和取消任务等。适合具有可取消性和执行时间较长的异步任务。

并发包中许多异步任务类都继承自Future，其中最典型的就是 FutureTask

1.1 介绍

Future  表示异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并获取计算的结果。计算完成后只能使用get方法来获取结果，如有必要，计算完成前可以阻塞此方法。取消则由  cancel 方法来执行。还提供了其他方法，以确定任务是正常完成还是被取消了。一旦计算完成，就不能再取消计算。如果为了可取消性而使用 Future  但又不提供可用的结果，则可以声明 Future 形式类型、并返回 null 作为底层任务的结果。

也就是说Future具有这样的特性

• 异步执行，可用 get 方法获取执行结果

• 如果计算还没完成，get 方法是会阻塞的，如果完成了，是可以多次获取并立即得到结果的

• 如果计算还没完成，是可以取消计算的

• 可以查询计算的执行状态

2 FutureTask

FutureTask 为 Future  提供了基础实现，如获取任务执行结果(get)和取消任务(cancel)等。如果任务尚未完成，获取任务执行结果时将会阻塞。一旦执行结束，任务就不能被重启或取消(除非使用runAndReset执行计算)。

FutureTask 常用来封装 Callable 和 Runnable，也可作为一个任务提交到线程池中执行。除了作为一个独立的类，此类也提供创建自定义  task 类使用。FutureTask 的线程安全由CAS保证。

FutureTask 内部维护了一个由volatile修饰的int型变量—state，代表当前任务的运行状态

• NEW：新建

• COMPLETING：完成

• NORMAL：正常运行

• EXCEPTIONAL：异常退出

• CANCELLED：任务取消

• INTERRUPTING：线程中断中

• INTERRUPTED：线程已中断

在这七种状态中，有四种任务终止状态：NORMAL、EXCEPTIONAL、CANCELLED、INTERRUPTED。各种状态的转化如下：

数据结构及核心参数

//内部持有的callable任务，运行完毕后置空 private Callable callable;  //从get()中返回的结果或抛出的异常 private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes  //运行callable的线程,在 run 时进行 CAS 操作 private volatile Thread runner;  //使用Treiber栈保存等待线程 private volatile WaitNode waiters;

FutureTask  继承了Runnale和Future，本身也作为一个线程运行,可以提交给线程池执行。维护了一个内部类WaitNode，使用简单的Treiber栈(无锁并发栈)实现，用于存储等待线程。FutureTask  只有一个自定义的同步器 Sync 的属性，所有的方法都是委派给此同步器来实现。这也是JUC里使用AQS的通用模式。

源码解析

FutureTask 的同步器 由于Future在任务完成后，可以多次自由获取结果，因此，用于控制同步的AQS使用共享模式。

FutureTask 底层任务的执行状态保存在AQS的状态里。AQS是否允许线程获取(是否阻塞)是取决于任务是否执行完成，而不是具体的状态值。

private final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {     // 定义表示任务执行状态的常量。由于使用了位运算进行判断，所以状态值分别是2的幂。      // 表示任务已经准备好了，可以执行     private static final int READY     = 0;      // 表示任务正在执行中     private static final int RUNNING   = 1;      // 表示任务已执行完成     private static final int RAN       = 2;      // 表示任务已取消     private static final int CANCELLED = 4;       // 底层的表示任务的可执行对象     private final Callable callable;      // 表示任务执行结果，用于get方法返回。     private V result;      // 表示任务执行中的异常，用于get方法调用时抛出。     private Throwable exception;       /*      * 用于执行任务的线程。在 set/cancel 方法后置为空，表示结果可获取。      * 必须是 volatile的，用于确保完成后（result和exception）的可见性。      * （如果runner不是volatile，则result和exception必须都是volatile的）      */     private volatile Thread runner;        /**      * 已完成或已取消 时成功获取      */     protected int tryAcquireShared( int ignore) {         return innerIsDone() ? 1 : -1;     }      /**      * 在设置最终完成状态后让AQS总是通知，通过设置runner线程为空。      * 这个方法并没有更新AQS的state属性，      * 所以可见性是通过对volatile的runner的写来保证的。      */     protected boolean tryReleaseShared( int ignore) {         runner = null;         return true;     }        // 执行任务的方法     void innerRun() {         // 用于确保任务不会重复执行         if (!compareAndSetState(READY, RUNNING))             return;          // 由于Future一般是异步执行，所以runner一般是线程池里的线程。         runner = Thread.currentThread();          // 设置执行线程后再次检查，在执行前检查是否被异步取消         // 由于前面的CAS已把状态设置RUNNING，         if (getState() == RUNNING) { // recheck after setting thread             V result;             //             try {                 result = callable.call();             } catch (Throwable ex) {                 // 捕获任务执行过程中抛出的所有异常                 setException(ex);                 return;             }             set(result);         } else {       // 释放等待的线程             releaseShared(0); // cancel         }     }      // 设置结果     void innerSet(V v) {         // 放在循环里进行是为了失败后重试。         for (;;) {             // AQS初始化时，状态值默认是 0，对应这里也就是 READY 状态。             int s = getState();              // 已完成任务不能设置结果             if (s == RAN)                 return;              // 已取消 的任务不能设置结果             if (s == CANCELLED) {                 // releaseShared 会设置runner为空，                 // 这是考虑到与其他的取消请求线程 竞争中断 runner                 releaseShared(0);                 return;             }              // 先设置已完成，免得多次设置             if (compareAndSetState(s, RAN)) {                 result = v;                 releaseShared(0); // 此方法会更新 runner，保证result的可见性                 done();                 return;             }         }     }      // 获取异步计算的结果     V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException {         acquireSharedInterruptibly(0);// 获取共享，如果没有完成则会阻塞。          // 检查是否被取消         if (getState() == CANCELLED)             throw new CancellationException();          // 异步计算过程中出现异常         if (exception != null)             throw new ExecutionException(exception);          return result;     }      // 取消执行任务     boolean innerCancel( boolean mayInterruptIfRunning) {         for (;;) {             int s = getState();              // 已完成或已取消的任务不能再次取消             if (ranOrCancelled(s))                 return false;              // 任务处于 READY 或 RUNNING             if (compareAndSetState(s, CANCELLED))                 break;         }         // 任务取消后，中断执行线程         if (mayInterruptIfRunning) {             Thread r = runner;             if (r != null)                 r.interrupt();         }         releaseShared(0); // 释放等待的访问结果的线程         done();         return true;     }      /**      * 检查任务是否处于完成或取消状态      */     private boolean ranOrCancelled( int state) {         return (state & (RAN | CANCELLED)) != 0;     }       // 其他方法省略 }

从 innerCancel  方法可知，取消操作只是改变了任务对象的状态并可能会中断执行线程。如果任务的逻辑代码没有响应中断，则会一直异步执行直到完成，只是最终的执行结果不会被通过get方法返回，计算资源的开销仍然是存在的。

总的来说，Future 是线程间协调的一种工具。

AbstractExecutorService.submit(Callable task)

FutureTask  内部实现方法都很简单，先从线程池的submit分析。submit方法默认实现在AbstractExecutorService，几种实现源码如下：

public Future submit(Runnable task) {     if (task == null) throw new NullPointerException();     RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, null);     execute(ftask);     return ftask; } public  Future submit(Runnable task, T result) {     if (task == null) throw new NullPointerException();     RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, result);     execute(ftask);     return ftask; } public  Future submit(Callable task) {     if (task == null) throw new NullPointerException();     RunnableFuture ftask = newTaskFor(task);     execute(ftask);     return ftask; } protected  RunnableFuture newTaskFor(Runnable runnable, T value) {     return new FutureTask(runnable, value); } public FutureTask(Runnable runnable, V result) {     this.callable = Executors.callable(runnable, result);     this.state = NEW;       // ensure visibility of callable }

首先调用newTaskFor方法构造FutureTask，然后调用execute把任务放进线程池中，返回FutureTask

FutureTask.run()

public void run() {     //新建任务，CAS替换runner为当前线程     if (state != NEW ||         !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,                                      null, Thread.currentThread()))         return;     try {         Callable 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);//设置执行结果         }     } 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);//处理中断逻辑     } }

运行任务，如果任务状态为NEW状态，则利用CAS修改为当前线程。执行完毕调用set(result)方法设置执行结果。 set(result)源码如下

首先利用cas修改state状态为

设置返回结果，然后使用 lazySet（UNSAFE.putOrderedInt）的方式设置state状态为

结果设置完毕后，调用finishCompletion()唤醒等待线程

private void finishCompletion() {     for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {         if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {//移除等待线程             for (;;) {//自旋遍历等待线程                 Thread t = q.thread;                 if (t != null) {                     q.thread = null;                     LockSupport.unpark(t);//唤醒等待线程                 }                 WaitNode next = q.next;                 if (next == null)                     break;                 q.next = null; // unlink to help gc                 q = next;             }             break;         }     }     //任务完成后调用函数，自定义扩展     done();     callable = null;        // to reduce footprint }

回到run方法，如果在 run 期间被中断，此时需要调用handlePossibleCancellationInterrupt处理中断逻辑，确保任何中断（例如cancel(true)）只停留在当前run或runAndReset的任务中

private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) {     //在中断者中断线程之前可能会延迟，所以我们只需要让出CPU时间片自旋等待     if (s == INTERRUPTING)         while (state == INTERRUPTING)             Thread.yield(); // wait out pending interrupt }

FutureTask.runAndReset()

runAndReset是  FutureTask另外一个任务执行的方法，它不会返回执行结果，而且在任务执行完之后会重置stat的状态为NEW，使任务可以多次执行。  runAndReset的典型应用是在 ScheduledThreadPoolExecutor 中，周期性的执行任务。

FutureTask.get()

FutureTask 通过get()获取任务执行结果。如果任务处于未完成的状态(state <=  COMPLETING)，就调用awaitDone等待任务完成。任务完成后，通过report获取执行结果或抛出执行期间的异常。

awaitDone(boolean timed, long nanos)

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)     throws InterruptedException {     final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;     WaitNode q = null;     boolean queued = false;     for (;;) {//自旋         if (Thread.interrupted()) {//获取并清除中断状态             removeWaiter(q);//移除等待WaitNode             throw new InterruptedException();         }          int s = state;         if (s > COMPLETING) {             if (q != null)                 q.thread = null;//置空等待节点的线程             return s;         }         else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet             Thread.yield();         else if (q == null)             q = new WaitNode();         else if (!queued)             //CAS修改waiter             queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,                                                  q.next = waiters, q);         else if (timed) {             nanos = deadline - System.nanoTime();             if (nanos <= 0L) {                 removeWaiter(q);//超时，移除等待节点                 return state;             }             LockSupport.parkNanos(this, nanos);//阻塞当前线程         }         else             LockSupport.park(this);//阻塞当前线程     } }

awaitDone用于等待任务完成，或任务因为中断或超时而终止。返回任务的完成状态。

1.如果线程被中断，首先清除中断状态，调用removeWaiter移除等待节点，然后抛InterruptedException。removeWaiter源码如下：

private void removeWaiter(WaitNode node) {     if (node != null) {         node.thread = null;//首先置空线程         retry:         for (;;) {          // restart on removeWaiter race             //依次遍历查找             for (WaitNode pred = null, q = waiters, s; q != null; q = s) {                 s = q.next;                 if (q.thread != null)                     pred = q;                 else if (pred != null) {                     pred.next = s;                     if (pred.thread == null) // check for race                         continue retry;                 }                 else if (!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,q, s)) //cas替换                     continue retry;             }             break;         }     } }

2.如果当前为结束态(state>COMPLETING),则根据需要置空等待节点的线程，并返回 Future 状态

3.如果当前为正在完成(COMPLETING)，说明此时 Future 还不能做出超时动作，为任务让出CPU执行时间片

4.如果state为NEW，先新建一个WaitNode，然后CAS修改当前waiters

5.如果等待超时，则调用removeWaiter移除等待节点，返回任务状态;如果设置了超时时间但是尚未超时，则park阻塞当前线程

6.其他情况直接阻塞当前线程

FutureTask.cancel(boolean mayInterruptIfRunning)

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) { 
    //如果当前Future状态为NEW，根据参数修改Future状态为INTERRUPTING或CANCELLED 
    if (!(state == NEW && 
          UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, 
              mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED))) 
        return false; 
    try {    // in case call to interrupt throws exception 
        if (mayInterruptIfRunning) {//可以在运行时中断 
            try { 
                Thread t = runner; 
                if (t != null) 
                    t.interrupt(); 
            } finally { // final state 
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED); 
            } 
        } 
    } finally { 
        finishCompletion();//移除并唤醒所有等待线程 
    } 
    return true; 
} 

说明：尝试取消任务。如果任务已经完成或已经被取消，此操作会失败。如果当前Future状态为NEW，根据参数修改Future状态为INTERRUPTING或CANCELLED。如果当前状态不为NEW，则根据参数mayInterruptIfRunning决定是否在任务运行中也可以中断。中断操作完成后，调用finishCompletion移除并唤醒所有等待线程。

示例

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