探索 JUC 之美---Future 与 FutureTask
2018-04-07 本文已影响63人
紫霞等了至尊宝五百年
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。
在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
介绍
JavaDoc
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
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，也可以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之外，此类也提供了一些功能性函数供我们创建自定义 task 类使用。FutureTask 的线程安全由CAS来保证。
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<V> 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<V> 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<T> task)
FutureTask 内部的实现方法都很简单，这里我们先从线程池的submit方法开始分析，一步一步分析FutureTask。submit方法默认实现在AbstractExecutorService中，几种实现源码如下：
public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
}
public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);
execute(ftask);
return ftask;
}
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
execute(ftask);
return ftask;
}
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
return new FutureTask<T>(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<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);//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。
- 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;
}
}
}
- 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 - 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 - 如果
state为NEW，先新建一个WaitNode，然后CAS修改当前waiters - 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 - 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
小结
本章重点：FutureTask 结果返回机制，以及内部运行状态的转变
