「高并发」两种异步模型与深度解析Future接口-

Posted 2023-02-15

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大家好，我是冰河~~

本文有点长，但是满满的干货，以实际案例的形式分析了两种异步模型，并从源码角度深度解析Future接口和FutureTask类，希望大家踏下心来，打开你的IDE，跟着文章看源码，相信你一定收获不小！

在Java的并发编程中，大体上会分为两种异步编程模型，一类是直接以异步的形式来并行运行其他的任务，不需要返回任务的结果数据。一类是以异步的形式运行其他任务，需要返回结果。

1.无返回结果的异步模型

无返回结果的异步任务，可以直接将任务丢进线程或线程池中运行，此时，无法直接获得任务的执行结果数据，一种方式是可以使用回调方法来获取任务的运行结果。

具体的方案是：定义一个回调接口，并在接口中定义接收任务结果数据的方法，具体逻辑在回调接口的实现类中完成。将回调接口与任务参数一同放进线程或线程池中运行，任务运行后调用接口方法，执行回调接口实现类中的逻辑来处理结果数据。这里，给出一个简单的示例供参考。

便于接口的通用型，这里为回调接口定义了泛型。

回调接口的实现类主要用来对任务的返回结果进行相应的业务处理，这里，为了方便演示，只是将结果数据返回。大家需要根据具体的业务场景来做相应的分析和处理。

任务的执行类是具体执行任务的类，实现Runnable接口，在此类中定义一个回调接口类型的成员变量和一个String类型的任务参数（模拟任务的参数），并在构造方法中注入回调接口和任务参数。在run方法中执行任务，任务完成后将任务的结果数据封装成TaskResult对象，调用回调接口的方法将TaskResult对象传递到回调方法中。

到这里，整个大的框架算是完成了，接下来，就是测试看能否获取到异步任务的结果了。

在测试类中，使用Thread类创建一个新的线程，并启动线程运行任务。运行程序最终的接口数据如下所示。

大家可以细细品味下这种获取异步结果的方式。这里，只是简单的使用了Thread类来创建并启动线程，也可以使用线程池的方式实现。大家可自行实现以线程池的方式通过回调接口获取异步结果。

2.有返回结果的异步模型

尽管使用回调接口能够获取异步任务的结果，但是这种方式使用起来略显复杂。在JDK中提供了可以直接返回异步结果的处理方案。最常用的就是使用Future接口或者其实现类FutureTask来接收任务的返回结果。

使用Future接口往往配合线程池来获取异步执行结果，如下所示。

运行结果如下所示。

FutureTask类既可以结合Thread类使用也可以结合线程池使用，接下来，就看下这两种使用方式。

结合Thread类的使用示例如下所示。

运行结果如下所示。

结合线程池的使用示例如下。

运行结果如下所示。

可以看到使用Future接口或者FutureTask类来获取异步结果比使用回调接口获取异步结果简单多了。注意：实现异步的方式很多，这里只是用多线程举例。

接下来，就深入分析下Future接口。

1.Future接口

Future是JDK1.5新增的异步编程接口，其源代码如下所示。

可以看到，在Future接口中，总共定义了5个抽象方法。接下来，就分别介绍下这5个方法的含义。

取消任务的执行，接收一个boolean类型的参数，成功取消任务，则返回true，否则返回false。当任务已经完成，已经结束或者因其他原因不能取消时，方法会返回false，表示任务取消失败。当任务未启动调用了此方法，并且结果返回true（取消成功），则当前任务不再运行。如果任务已经启动，会根据当前传递的boolean类型的参数来决定是否中断当前运行的线程来取消当前运行的任务。

判断任务在完成之前是否被取消，如果在任务完成之前被取消，则返回true；否则，返回false。

这里需要注意一个细节：只有任务未启动，或者在完成之前被取消，才会返回true，表示任务已经被成功取消。其他情况都会返回false。

判断任务是否已经完成，如果任务正常结束、抛出异常退出、被取消，都会返回true，表示任务已经完成。

当任务完成时，直接返回任务的结果数据；当任务未完成时，等待任务完成并返回任务的结果数据。

当任务完成时，直接返回任务的结果数据；当任务未完成时，等待任务完成，并设置了超时等待时间。在超时时间内任务完成，则返回结果；否则，抛出TimeoutException异常。

2.RunnableFuture接口

Future接口有一个重要的子接口，那就是RunnableFuture接口，RunnableFuture接口不但继承了Future接口，而且继承了java.lang.Runnable接口，其源代码如下所示。

这里，问一下，RunnableFuture接口中有几个抽象方法？想好了再说！哈哈哈。。。

这个接口比较简单run()方法就是运行任务时调用的方法。

3.FutureTask类

FutureTask类是RunnableFuture接口的一个非常重要的实现类，它实现了RunnableFuture接口、Future接口和Runnable接口的所有方法。FutureTask类的源代码比较多，这个就不粘贴了，大家自行到java.util.concurrent下查看。

（1）FutureTask类中的变量与常量

在FutureTask类中首先定义了一个状态变量state，这个变量使用了volatile关键字修饰，这里，大家只需要知道volatile关键字通过内存屏障和禁止重排序优化来实现线程安全，后续会单独深度分析volatile关键字是如何保证线程安全的。紧接着，定义了几个任务运行时的状态常量，如下所示。

其中，代码注释中给出了几个可能的状态变更流程，如下所示。

接下来，定义了其他几个成员变量，如下所示。

又看到我们所熟悉的Callable接口了，Callable接口那肯定就是用来调用call()方法执行具体任务了。

看一下WaitNode类的定义，如下所示。

可以看到，WaitNode类是FutureTask类的静态内部类，类中定义了一个Thread成员变量和指向下一个WaitNode节点的引用。其中通过构造方法将thread变量设置为当前线程。

（2）构造方法

接下来，是FutureTask的两个构造方法，比较简单，如下所示。

（3）是否取消与完成方法

继续向下看源码，看到一个任务是否取消的方法，和一个任务是否完成的方法，如下所示。

这两方法中，都是通过判断任务的状态来判定任务是否已取消和已完成的。为啥会这样判断呢？再次查看FutureTask类中定义的状态常量发现，其常量的定义是有规律的，并不是随意定义的。其中，大于或者等于CANCELLED的常量为CANCELLED、INTERRUPTING和INTERRUPTED，这三个状态均可以表示线程已经被取消。当状态不等于NEW时，可以表示任务已经完成。

通过这里，大家可以学到一点：以后在编码过程中，要按照规律来定义自己使用的状态，尤其是涉及到业务中有频繁的状态变更的操作，有规律的状态可使业务处理变得事半功倍，这也是通过看别人的源码设计能够学到的，这里，建议大家还是多看别人写的优秀的开源框架的源码。

（4）取消方法

我们继续向下看源码，接下来，看到的是cancel(boolean)方法，如下所示。

接下来，拆解cancel(boolean)方法。在cancel(boolean)方法中，首先判断任务的状态和CAS的操作结果，如果任务的状态不等于NEW或者CAS的操作返回false，则直接返回false，表示任务取消失败。如下所示。

接下来，在try代码块中，首先判断是否可以中断当前任务所在的线程来取消任务的运行。如果可以中断当前任务所在的线程，则以一个Thread临时变量来指向运行任务的线程，当指向的变量不为空时，调用线程对象的interrupt()方法来中断线程的运行，最后将线程标记为被中断的状态。如下所示。

这里，发现变更任务状态使用的是UNSAFE.putOrderedInt()方法，这个方法是个什么鬼呢？点进去看一下，如下所示。

可以看到，又是一个本地方法，嘿嘿，这里先不管它，后续文章会详解这些方法的作用。

接下来，cancel(boolean)方法会进入finally代码块，如下所示。

可以看到在finallly代码块中调用了finishCompletion()方法，顾名思义，finishCompletion()方法表示结束任务的运行，接下来看看它是如何实现的。点到finishCompletion()方法中看一下，如下所示。

在finishCompletion()方法中，首先定义一个for循环，循环终止因子为waiters为null，在循环中，判断CAS操作是否成功，如果成功进行if条件中的逻辑。首先，定义一个for自旋循环，在自旋循环体中，唤醒WaitNode堆栈中的线程，使其运行完成。当WaitNode堆栈中的线程运行完成后，通过break退出外层for循环。接下来调用done()方法。done()方法又是个什么鬼呢？点进去看一下，如下所示。

可以看到，done()方法是一个空的方法体，交由子类来实现具体的业务逻辑。

当我们的具体业务中，需要在取消任务时，执行一些额外的业务逻辑，可以在子类中覆写done()方法的实现。

（5）get()方法

继续向下看FutureTask类的代码，FutureTask类中实现了两个get()方法，如下所示。

没参数的get()方法为当任务未运行完成时，会阻塞，直到返回任务结果。有参数的get()方法为当任务未运行完成，并且等待时间超出了超时时间，会TimeoutException异常。

两个get()方法的主要逻辑差不多，一个没有超时设置，一个有超时设置，这里说一下主要逻辑。判断任务的当前状态是否小于或者等于COMPLETING，也就是说，任务是NEW状态或者COMPLETING，调用awaitDone()方法，看下awaitDone()方法的实现，如下所示。

接下来，拆解awaitDone()方法。在awaitDone()方法中，最重要的就是for自旋循环，在循环中首先判断当前线程是否被中断，如果已经被中断，则调用removeWaiter()将当前线程从堆栈中移除，并且抛出InterruptedException异常，如下所示。

接下来，判断任务的当前状态是否完成，如果完成，并且堆栈句柄不为空，则将堆栈中的当前线程设置为空，返回当前任务的状态，如下所示。

当任务的状态为COMPLETING时，使当前线程让出CPU资源，如下所示。

如果堆栈为空，则创建堆栈对象，如下所示。

如果queued变量为false，通过CAS操作为queued赋值，如果awaitDone()方法传递的timed参数为true，则计算超时时间，当时间已超时，则在堆栈中移除当前线程并返回任务状态，如下所示。如果未超时，则重置超时时间，如下所示。

如果不满足上述的所有条件，则将当前线程设置为等待状态，如下所示。

接下来，回到get()方法中，当awaitDone()方法返回结果，或者任务的状态不满足条件时，都会调用report()方法，并将当前任务的状态传递到report()方法中，并返回结果，如下所示。

看来，这里还要看下report()方法啊，点进去看下report()方法的实现，如下所示。

可以看到，report()方法的实现比较简单，首先，将outcome数据赋值给x变量，接下来，主要是判断接收到的任务状态，如果状态为NORMAL，则将x强转为泛型类型返回；当任务的状态大于或者等于CANCELLED，也就是任务已经取消，则抛出CancellationException异常，其他情况则抛出ExecutionException异常。

至此，get()方法分析完成。注意：一定要理解get()方法的实现，因为get()方法是我们使用Future接口和FutureTask类时，使用的比较频繁的一个方法。

（6）set()方法与setException()方法

继续看FutureTask类的代码，接下来看到的是set()方法与setException()方法，如下所示。

通过源码可以看出，set()方法与setException()方法整体逻辑几乎一样，只是在设置任务状态时一个将状态设置为NORMAL，一个将状态设置为EXCEPTIONAL。

至于finishCompletion()方法，前面已经分析过。

（7）run()方法与runAndReset()方法

接下来，就是run()方法了，run()方法的源代码如下所示。

可以这么说，只要使用了Future和FutureTask，就必然会调用run()方法来运行任务，掌握run()方法的流程是非常有必要的。在run()方法中，如果当前状态不是NEW，或者CAS操作返回的结果为false，则直接返回，不再执行后续逻辑，如下所示。

接下来，在try代码块中，将成员变量callable赋值给一个临时变量c，判断临时变量不等于null，并且任务状态为NEW，则调用Callable接口的call()方法，并接收结果数据。并将ran变量设置为true。当程序抛出异常时，将接收结果的变量设置为null，ran变量设置为false，并且调用setException()方法将任务的状态设置为EXCEPTIONA。接下来，如果ran变量为true，则调用set()方法，如下所示。

接下来，程序会进入finally代码块中，如下所示。

这里，将runner设置为null，如果任务的当前状态大于或者等于INTERRUPTING，也就是线程被中断了。则调用handlePossibleCancellationInterrupt()方法，接下来，看下handlePossibleCancellationInterrupt()方法的实现。

可以看到，handlePossibleCancellationInterrupt()方法的实现比较简单，当任务的状态为INTERRUPTING时，使用while()循环，条件为当前任务状态为INTERRUPTING，将当前线程占用的CPU资源释放，也就是说，当任务运行完成后，释放线程所占用的资源。

runAndReset()方法的逻辑与run()差不多，只是runAndReset()方法会在finally代码块中将任务状态重置为NEW。runAndReset()方法的源代码如下所示，就不重复说明了。

（8）removeWaiter()方法

removeWaiter()方法中主要是使用自旋循环的方式来移除WaitNode中的线程，比较简单，如下所示。

最后，在FutureTask类的最后，有如下代码。

关于这些代码的作用，会在后续深度解析CAS文章中详细说明，这里就不再探讨。

至此，关于Future接口和FutureTask类的源码就分析完了。

好了，今天就到这儿吧，我是冰河，我们下期见~~