Java异步编程——深入源码分析FutureTask

Java的异步编程是一项非常常用的多线程技术。

之前通过源码详细分析了ThreadPoolExecutor《

你真的懂ThreadPoolExecutor线程池技术吗?看了源码你会有全新的认识

》。通过创建一个ThreadPoolExecutor,往里面丢任务就可以实现多线程异步执行了。

但之前的任务主要倾向于线程池,并没有讲到异步编程方面的内容。本文将通过介绍Executor+Future框架(FutureTask是实现的核心),来深入了解下Java的异步编程。

万事从示例开始,我们先通过示例Demo有一个直观的印象,再深入去了解概念与原理。

使用示例

Demo:

使用上比较简单,

运行结果:

假若你多次执行这个程序,会发现结果大大的不一样,因为两个任务和同步代码是异步由多条线程执行的,打印的结果当然是随机的。

回顾这个Demo做了什么,

构建了一个线程池

往线程池里面丢两个需要执行的任务

最后获取这两个任务的结果

其中第二点是异步执行两个任务,这两个任务和主线程分别是用了三个线程并发执行的,第三点是在主线程中同步等待两个任务的结果。

很容易看出来,异步编程的好处就在于可以让不相干的任务异步执行,不阻塞主线程。若是主线程需要异步执行的结果,此时再去等待结果会更加高效,提高程序的执行效率。

下面来看看整个流程的实现原理。

源码分析

一般在实际项目中,都会有配置有自己的线程池,建议大家在用异步编程时,配置一个专用的线程池,做好线程隔离,避免异步线程影响到其他模块的工作。Demo中为了方便,直接调用Exectors的方法生成一个临时的线程池,日常不建议使用。

我们从这个方法入手,看看整体实现。

定义一个接口。这个接口接收一个Callable参数(执行的任务),返回一个Future(计算结果)。

,相当于一个需要执行的任务。它不接收任何参数,可以返回结果,可以抛出异常。相类似的还有,它也是不接收,不同点在于它不返回结果,也不抛异常,异常需要在任务内部处理。总结来说更像一个方法的调用,则是一个不需要理会结果的调用。在JDK 8以后,它们都可以通过Lamda表达式写法去替代内部类的写法(详见Demo)。

,一个异步计算的结果。调用方法可以得到对应的计算结果,如果调用时没有异步计算完,会阻塞等待计算的结果。同时它还提供方法可以尝试取消任务的执行。

看回的实现,代码在实现类中。

除了它接口的实现,还提供了两种变形。原来接口只接收参数,实现类中还新增了接收参数的。

如果看过之前写的《你真的懂ThreadPoolExecutor线程池技术吗?看了源码你会有全新的认识》,应该了解执行任务是可以调用方法的。而这里面方法则是为加多一层,从而

使执行结果有一个存放的地方,同时也添加一个可以取消的功能。原本的只能执行任务,不会返回结果的,具体实现原理可以看看之前的文章分析。

是的实现。而是继承和接口的,定义接口。

因为有接口,所以可以直接用一个创建一个单独执行。但这样并没有异步的效果,因为没有启用新的线程去跑,而是在原来的线程阻塞执行的。

到这里我们清楚知道了,方法重点是利用创建一个,然后多线程执行方法,达到异步处理并且得到结果的效果。而的重点则是方法如何持有保存计算的结果。

FutureTask.run()

首先判断对象的状态,如果不是NEW的话,证明已经开始运行过了,则退出执行。同时对象通过CAS,把当前线程赋值给变量(是Thread类型,说明对象使用哪个线程执行的),如果CAS失败则退出。

外层代码块中,对判空和状态必须是NEW。内层代码真正调用,开始执行任务。若执行成功,则把变量设为true,保存结果在变量中,证明已跑成功过了;若抛异常了,则设为false,为空,并且调用保存异常。最后如果为true的话,则调用保存结果。

看下和的实现。

两者的基本流程一样,CAS置换状态,保存结果在变量道中,但保存的结果类型固定是。另外一个不同在于最终状态,一个是EXCEPTION,一个是NORMAL。

这两个方法最后都调用了。这个方法主要是配合线程池唤醒下一个任务。

FutureTask.get()

从上面方法得知,最后执行的结果放在了变量中。那最终怎么从其中取出结果来,我们来看看方法。

从源码可知,方法分两步。第一步,先判断状态,如果计算为完成,则需要阻塞地等待完成。第二步,如果完成了,则调用方法获取结果并返回。

先看看阻塞等待完成。该方法可以选用超时功能。

在自旋的for()循环中,

先判断是否线程被中断,中断的话抛异常退出。

然后开始判断运行的值,如果大于,证明计算已经是终态了,此时返回终态变量。

若等于,证明已经开始计算,并且还在计算中。此时为了避免过多的CPU时间放在这个for循环的自旋上,程序执行,把线程从运行态降为就绪态,让出CPU时间。

若以上状态都不是,则证明为,还没开始执行。那么程序在当前循环现在会新增一个,在下一个循环里面调用把当前线程阻塞。当方法结束的时候,会再次唤醒此线程,避免自旋消耗CPU时间。

如果选用了超时功能,在阻塞和自旋过程中超时了,则会返回当前超时的状态。

第二步的方法比较简单。

如果状态是,正常结束的话,则把变量返回;

如果是取消或者中断状态的,则抛出取消异常;

如果是,则把当作异常抛出(之前保存的类型就是)。从而整个会有一个异常抛出。

总结

至此我们已经比较完整地了解Executor+Future的框架原理了,而FutureTask则是该框架的主要实现。下面总结下要点

方法异步执行一个任务,并且返回一个Future结果。

的原理是利用创建一个对象,然后执行对象的方法,把结果保存在中。

调用获取时,如果任务未完成,会阻塞线程,等待执行完毕。

异常和正常结果都放在中,调用获取结果或抛出异常。

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