Java 多线程并发FutureTask

本文基于最新的 OpenJDK 代码，预计发行版本为 19 。

Java 的多线程机制本质上能够完成两件事情，异步计算和并发。并发问题通过解决线程安全的一系列 API 来解决；而异步计算，常见的使用是 Runnable 和 Callable 配合线程使用。

FutureTask 是基于 Runnable 实现的一个可取消的异步调用 API 。

基本使用

• Future 代表了异步计算的结果，通过 ExecutorService 的 Future<?> submit(Runnable task) 方法，作为返回值使用：

interface ArchiveSearcher { String search(String target); }
class App {
		ExecutorService executor = ...;
    ArchiveSearcher searcher = ...;
    void showSearch(String target) throws InterruptedException {
       Callable<String> task = () -> searcher.search(target);
       Future<String> future = executor.submit(task); // 获取执行结果
       displayOtherThings(); // do other things while searching
       try {
         displayText(future.get()); // use future
       } catch (ExecutionException ex) { cleanup(); return; }
    }
}

• FutureTask类是实现了Runnable的Future的实现，因此可以由Executor执行。例如，上述带有submit的构造可以替换为:

class App {
		ExecutorService executor = ...;
    ArchiveSearcher searcher = ...;
    void showSearch(String target) throws InterruptedException {
       Callable<String> task = () -> searcher.search(target);
       // 关键两行替换
       FutureTask<String> future = new FutureTask<>(task);
			 executor.execute(future);
       displayOtherThings(); // do other things while searching
       try {
         displayText(future.get()); // use future
       } catch (ExecutionException ex) { cleanup(); return; }
    }
}

代码分析

继承关系

Future

Future 表示异步计算的结果。定义了用于检查计算是否完成、等待计算完成以及检索计算结果的能力。只有在计算完成后，才能使用 get 方法检索结果，在必要时会阻塞线程直到 Future 计算完成。取消是由 cancel 方法执行的。还提供了其他方法来确定任务是正常完成还是被取消。一旦计算完成，就不能取消计算。如果为了可取消性而使用 Future ，但又不想提供一个可用的结果，你可以声明形式 Future<?> 并返回 null 作为任务的结果。

在介绍 Future 中定义的能力之前，先了解一下它的用来表示 Future 状态内部类，和状态检索方法：

public interface Future<V> {
    enum State {
       	// The task has not completed.
        RUNNING,
        // The task completed with a result. @see Future#resultNow()
        SUCCESS,
        //The task completed with an exception. @see Future#exceptionNow()
        FAILED,
        // The task was cancelled. @see #cancel(boolean)
        CANCELLED
    }

    default State state() {
        if (!isDone())		// 根据 isDone() 判断运行中
            return State.RUNNING;
        if (isCancelled()) // 根据 isCancelled() 判断已取消
            return State.CANCELLED;
        boolean interrupted = false;
        try {
            while (true) { // 死循环轮询
                try {
                    get();  // may throw InterruptedException when done
                    return State.SUCCESS;
                } catch (InterruptedException e) {
                    interrupted = true;
                } catch (ExecutionException e) {
                    return State.FAILED;
                }
            }
        } finally {
            if (interrupted) Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

Future 的状态检索的默认实现是根据 isDone() 、isCancelled() 和不断轮询 get() 方法获取到的返回值判断的。

当 get() 正常返回结果时， state() 返回 State.SUCCESS ; 当抛出 InterruptedException 时，最终会操作所在的线程执行尝试中断的方法；抛出其他异常时，则返回 State.FAILED 。

Future 中定义的其他方法包括：

package java.util.concurrent;

public interface Future<V> {
		// 取消操作
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
		// 检查是否取消
    boolean isCancelled();
		// 检查是否完成
    boolean isDone();
		// 获取计算结果的方法
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
		// 带有超时限制的获取计算结果的方法
    V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
  	// 立刻返回结果
  	default V resultNow()
  	// 立刻抛出异常
  	default Throwable exceptionNow()
}

其中 resultNow() 和 exceptionNow() 是带有默认实现的：

		default V resultNow() {
        if (!isDone())
            throw new IllegalStateException("Task has not completed");
        boolean interrupted = false;
        try {
            while (true) {
                try {
                    return get();
                } catch (InterruptedException e) {
                    interrupted = true;
                } catch (ExecutionException e) {
                    throw new IllegalStateException("Task completed with exception");
                } catch (CancellationException e) {
                    throw new IllegalStateException("Task was cancelled");
                }
            }
        } finally {
            if (interrupted) Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

• Future 仍在运行中，直接抛出 IllegalStateException 。
• 执行一个轮询，调用 get() 尝试返回计算结果，如果 get() 抛出异常，则根据异常抛出不同消息的 IllegalStateException 或执行中断线程的操作。

    default Throwable exceptionNow() {
        if (!isDone())
            throw new IllegalStateException("Task has not completed");
        if (isCancelled())
            throw new IllegalStateException("Task was cancelled");
        boolean interrupted = false;
        try {
            while (true) {
                try {
                    get();
                    throw new IllegalStateException("Task completed with a result");
                } catch (InterruptedException e) {
                    interrupted = true;
                } catch (ExecutionException e) {
                    return e.getCause();
                }
            }
        } finally {
            if (interrupted) Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

• Future 仍在运行中，直接抛出 IllegalStateException 。
• Future 检查是否已取消，如果取消了抛出 IllegalStateException 。
• 执行轮询，调用 get() 方法，如果能够正常执行结束，也抛出 IllegalStateException ，消息是 "Task completed with a result" ；get() 若抛出 InterruptedException ，则执行线程中断操作；其他异常正常抛出。

这就是 Future 的全貌了。

RunnableFuture

RunnableFuture 接口同时实现了 Runnable 和 Future 接口 ：

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    /**
     * Sets this Future to the result of its computation
     * unless it has been cancelled.
     * 除非已取消，否则将此Future设置为其计算的结果。
     */
    void run();
}

Runnable 接口是我们常用的用来实现线程操作的，可以说是十分熟悉也十分简单了。

这个接口代表了一个可以 Runnable 的 Future ，run 方法的成功执行代表着 Future 执行完成，并可以获取它的计算结果。

这个接口是 JDK 1.6 后续才有的。

FutureTask

FutureTask 是 RunnableFuture 的直接实现类，它代表了一个可取消的异步计算任务。根据我们对 Future 的分析和 Runnable 的熟悉，就可以理解它的作用了：可取消并可以检索运行状态的一个 Runnable ，配合线程使用可以中断线程执行。当任务没有执行完成时会造成阻塞。并且它还可以配合 Executor 使用。

状态

FutureTask 内部也定义了自己的状态：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
		private volatile int state;
    private static final int NEW          = 0; // 新建
    private static final int COMPLETING   = 1; // 完成中
    private static final int NORMAL       = 2; // 正常完成
    private static final int EXCEPTIONAL  = 3; // 异常的
    private static final int CANCELLED    = 4; // 已取消
    private static final int INTERRUPTING = 5; // 中断中
    private static final int INTERRUPTED  = 6; // 已中断

		@Override
    public State state() {
        int s = state;
        while (s == COMPLETING) {
            // 等待过渡到 NORMAL 或 EXCEPTIONAL
            Thread.yield();
            s = state;
        }
        switch (s) {
            case NORMAL:
                return State.SUCCESS;
            case EXCEPTIONAL:
                return State.FAILED;
            case CANCELLED:
            case INTERRUPTING:
            case INTERRUPTED:
                return State.CANCELLED;
            default:
                return State.RUNNING;
        }
    }
}

FutureTask 的状态包括 7 种，最初为 NEW ，只有在 set、setException 和 cancel 方法中，运行状态才会转换为最终状态。在完成期间，状态可能为 COMPLETING (当结果正在设置时) 或 INTERRUPTING (仅当中断跑者以满足cancel(true) )的瞬态值。

可能存在的状态转换是：

NEW -> COMPLETING -> NORMAL // 正常完成
NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL // 抛出异常
NEW -> CANCELLED // 取消
NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED // 中断

属性

下面分析一下它的属性：

    /** 底层的调用;运行后为null */
    private Callable<V> callable;
    /** get()返回的结果或抛出的异常 */
    private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes
    /** The thread running the callable; CASed during run() */
    private volatile Thread runner;
    /** 等待线程的 Treiber 堆栈 */
    private volatile WaitNode waiters;

内部类

先看一看这个 WaitNode ，这是一个 FutureTask 的内部类：

    static final class WaitNode {
        volatile Thread thread;
        volatile WaitNode next;
        WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
    }

一个链表结构，用来对等待线程进行排序。

构造方法

最后是方法的分析，首先是构造方法：

    // Creates a {@code FutureTask} that will, upon running, execute the given {@code Callable}.
    public FutureTask(Callable<V> callable) {
        if (callable == null)
            throw new NullPointerException();
        this.callable = callable;
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

    /**
     * Creates a {@code FutureTask} that will, upon running, execute the
     * given {@code Runnable}, and arrange that {@code get} will return the
     * given result on successful completion.
     * Runnable 成功是返回给定的结果 result
     */
    public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
        this.callable = Executors.callable(runnable, result);
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

FutureTask 接收一个 Callable 或一个 Runnable 作为参数，Runnable 会封装一下都保存到属性 callable ，然后更新 FutureTask 的状态为 NEW 。

从 Future 接口中实现的方法逐个分析：

检索 FutureTask 状态

    public boolean isCancelled() {
        return state >= CANCELLED; // 大于等于 4， 已取消、中断中、已中断
    }

    public boolean isDone() {
        return state != NEW; // 不是 new 就代表执行结束了
    }

取消操作

    // mayInterruptIfRunning 表示最终的取消是通过中断还是通过取消。
		public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
        if (!(state == NEW && STATE.compareAndSet(this, NEW, mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))  // 尝试设置 CANCELLED 或 INTERRUPTING
            return false;
        try {    // in case call to interrupt throws exception
            if (mayInterruptIfRunning) {
                try {
                    Thread t = runner;
                    if (t != null)
                        t.interrupt(); // 通过中断取消任务
                } finally { // final state
                    STATE.setRelease(this, INTERRUPTED); // 更新中断状态
                }
            }
        } finally {
            finishCompletion();
        }
        return true;
    }

这里的 finishCompletion() 的作用是通过 LockSupport 唤醒等待的全部线程并从等待列表中移除，然后调用done()，最后把 callable 置空。相当于取消成功后释放资源的操作。

    private void finishCompletion() {
        // assert state > COMPLETING;
        for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
            if (WAITERS.weakCompareAndSet(this, 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; // unlink to help gc
                    q = next;
                }
                break;
            }
        }
        done();
        callable = null;        // to reduce footprint
    }

done() 是个空实现，供子类去自定义的。

protected void done() { }

计算结果

    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L); // 异步结果
        return report(s);
    }

    public V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
        if (unit == null)
            throw new NullPointerException();
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING &&
            (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
            throw new TimeoutException();
        return report(s);
    }

这里涉及两个方法：awaitDone 方法和 report 方法 。

awaitDone 方法：

    private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
        // The code below is very delicate, to achieve these goals:
        // - if nanos <= 0L, 及时返回，不需要 allocation 或 nanoTime
        // - if nanos == Long.MIN_VALUE, don't underflow
        // - if nanos == Long.MAX_VALUE, and nanoTime is non-monotonic
        //   and we suffer a spurious wakeup, we will do no worse than
        //   to park-spin for a while
        long startTime = 0L;    // Special value 0L means not yet parked
        WaitNode q = null;
        boolean queued = false;
        for (;;) {
            int s = state;
            if (s > COMPLETING) {  // COMPLETING = 1
                if (q != null)
                    q.thread = null;
                return s;
            }
            else if (s == COMPLETING) // 瞬时态，完成中
                // We may have already promised (via isDone) that we are done
                // so never return empty-handed or throw InterruptedException
                Thread.yield();
            else if (Thread.interrupted()) {
                removeWaiter(q); // 线程中断，移除等待的线程
                throw new InterruptedException();
            }
            else if (q == null) {
                if (timed && nanos <= 0L)
                    return s;
                q = new WaitNode();
            }
            else if (!queued)
                queued = WAITERS.weakCompareAndSet(this, q.next = waiters, q);
            else if (timed) { // 设置超时时间的情况
                final long parkNanos;
                if (startTime == 0L) { // first time
                    startTime = System.nanoTime();
                    if (startTime == 0L)
                        startTime = 1L;
                    parkNanos = nanos;
                } else {
                    long elapsed = System.nanoTime() - startTime;
                    if (elapsed >= nanos) {
                        removeWaiter(q);
                        return state;
                    }
                    parkNanos = nanos - elapsed;
                }
                // nanoTime may be slow; recheck before parking
                if (state < COMPLETING)
                    LockSupport.parkNanos(this, parkNanos);
            }
            else
                LockSupport.park(this);
        }
    }

通过 CAS 和 LockSupport 的挂起/唤醒操作配合，阻塞当前线程，异步地等待计算结果。

这里有个 removeWaiter 方法，内部就是遍历 waiters ，删除超时和中断的等待线程。

当异步逻辑执行完成后，调用 report 方法：

    // 为完成的任务返回结果或抛出异常
    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);
    }

这里用到了一个 outcome ，它是一个 Object 类型，作为返回结果，通过 set 方法可以对它进行设置：

    // 除非该 future 已被设置或取消，否则将该 future 的结果设置为给定值。
		// 该方法在成功完成计算后由 run 方法在内部调用。
		protected void set(V v) {
        if (STATE.compareAndSet(this, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = v;
            STATE.setRelease(this, NORMAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

立刻获取结果或异常

这两个方法都是通过 outcome 预设的返回值，返回预期的结果或异常。

    public V resultNow() {
        switch (state()) {    // Future.State
            case SUCCESS:
                @SuppressWarnings("unchecked")
                V result = (V) outcome;
                return result;
            case FAILED:
                throw new IllegalStateException("Task completed with exception");
            case CANCELLED:
                throw new IllegalStateException("Task was cancelled");
            default:
                throw new IllegalStateException("Task has not completed");
        }
    }

    @Override
    public Throwable exceptionNow() {
        switch (state()) {    // Future.State
            case SUCCESS:
                throw new IllegalStateException("Task completed with a result");
            case FAILED:
                Object x = outcome;
                return (Throwable) x;
            case CANCELLED:
                throw new IllegalStateException("Task was cancelled");
            default:
                throw new IllegalStateException("Task has not completed");
        }
    }

run 方法组

最后是实现了 Runnable 的 run 方法：

    public void run() {
      	// 保证 NEW 状态和 RUNNER 成功设置当前线程
        if (state != NEW ||
            !RUNNER.compareAndSet(this, null, Thread.currentThread()))
            return;
        try {
            Callable<V> c = callable; // 待执行的 Callable
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
                try {
                    result = c.call(); // 执行 Callable
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex);
                }
                if (ran)
                    set(result);
            }
        } finally {
            // 为了防止并发调用 run ，直到 state 确定之前， runner 必须是非空的
            runner = null;
            // 状态必须在 runner 置空后重新读取，以防止泄漏中断
            int s = state;
            if (s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
    }

这里涉及两个方法，第一个是 setException(ex) :

    // 导致该future报告一个{@link ExecutionException}，并将给定的可抛出对象作为其原因，除非该future已经被设置或取消。
    protected void setException(Throwable t) {
        if (STATE.compareAndSet(this, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = t;
            STATE.setRelease(this, EXCEPTIONAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

另一个是 handlePossibleCancellationInterrupt 方法：

    /**
     * 确保任何来自可能的 cancel(true) 的中断只在 run 或 runAndReset 时交付给任务。
     */
    private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) {
        // It is possible for our interrupter to stall before getting a
        // chance to interrupt us.  Let's spin-wait patiently.
        if (s == INTERRUPTING)
            while (state == INTERRUPTING)
                Thread.yield(); // wait out pending interrupt

        // assert state == INTERRUPTED;
        // 我们想清除可能从cancel(true)接收到的所有中断。
        // 然而，允许使用中断作为任务与其调用者通信的独立机制，并没有办法只清除取消中断。
        // Thread.interrupted();
    }

最后是 runAndReset 方法：

    protected boolean runAndReset() {
        if (state != NEW || !RUNNER.compareAndSet(this, null, Thread.currentThread()))
            return false;
        boolean ran = false; // flag 表示正常执行结束
        int s = state;
        try {
            Callable<V> c = callable;
            if (c != null && s == NEW) {
                try {
                    c.call(); // don't set result
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    setException(ex);
                }
            }
        } 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
            s = state; //
            if (s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
        return ran && s == NEW; // 当正常执行结束，且 state 一开始就是 NEW 时，表示可以运行并重置。
    }

执行计算时不设置其结果，然后将该 future 重置为初始状态，如果计算遇到异常或被取消，则不这样做。这是为本质上执行多次的任务设计的。

run 和 runAndReset 都用到了一个 RUNNER , 最后就来揭秘一下这个东西：

    private static final VarHandle STATE;
    private static final VarHandle RUNNER;
    private static final VarHandle WAITERS;
    static {
        try {
            MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup();
            STATE = l.findVarHandle(FutureTask.class, "state", int.class);
            RUNNER = l.findVarHandle(FutureTask.class, "runner", Thread.class);
            WAITERS = l.findVarHandle(FutureTask.class, "waiters", WaitNode.class);
        } catch (ReflectiveOperationException e) {
            throw new ExceptionInInitializerError(e);
        }

        // Reduce the risk of rare disastrous classloading in first call to
        // LockSupport.park: https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8074773
        Class<?> ensureLoaded = LockSupport.class;
    }

MethodHandles.lookup()创建一个MethodHandles.Lookup对象，该对象可以创建所有访问权限的方法，包括public，protected，private，default。

VarHandle 主要用于动态操作数组的元素或对象的成员变量。VarHandle通过 MethodHandles 来获取实例，然后调用 VarHandle 的方法即可动态操作指定数组的元素或指定对象的成员变量。

作者：自动化BUG制造器
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来源：稀土掘金
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