Callable、Future、RunnableFuture、FutureTask的原理及應用

1. Callable、Future、RunnableFuture、FutureTask的繼承關系

        在多線程編程中，我們一般通過一個實現了Runnable接口的對象來創建一個線程，這個線程在內部會執行Runnable對象的run方法。如果說我們創建一個線程來完成某項工作，希望在完成以后該線程能夠返回一個結果，但run方法的返回值是void類型，直接實現run方法並不可行，這時我們就要通過FutureTask類來間接實現。

        FutureTask實現了RunnableFuture接口，而RunnableFuture接口實際上僅僅是Runnable接口和Future接口的合體。Future接口提供取消任務、檢測任務是否執行完成、等待任務執行完成獲得結果等方法。從圖中可以看出，FutureTask類中的run方法已經實現好了（圖中的代碼僅僅是核心代碼），這個run方法實際上就是調用了由構造函數傳遞進來的call方法，並將返回值存儲在FutureTask的私有數據成員outcome中。這樣一來我們將FutureTask傳遞給一個Thread時，表面上我們仍然執行的是run，但在run方法的內部實際上執行的是帶有返回值的call方法，這樣即使得java多線程的執行框架保持不變，又實現了線程完成后返回結果的功能。同時FutureTask又將結果存儲在outcome中，我們可以通過調用FutureTask對象的get方法獲取outcome（也就是call方法的返回結果）。

Future接口功能介紹
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);	功能：設置線程的中斷標志位 參數：mayInterruptIfRunning為ture，如果線程可以取消則設置線程的中斷標志位 返回值：若線程已經完成，返回false;否則返回true 注意：要實現取消線程執行的功能，call函數需要在循環條件中檢查中斷標志位，以跳出循環
boolean isCancelled();	判斷線程是否取消
boolean isDone();	線程執行完成，返回true；如果cancel方法返回true，則該方法也返回true
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;	獲取call方法的返回結果，如果call方法沒有執行完成，則會阻塞當前線程，直到call方法執行完畢，才被喚醒
V get(long timeout, TimeUnit unit)	設置時限的get方法。

2. Future及FutureTask的使用

      Future以及FutureTask是線程池實現的基礎元素，但不是說Future及FutureTask只能在線程池中才能使用，下面的例子就說明了FutureTask獨立使用的情況。在這個例子中，我們首先隨機產生了2000個整數存於數組中，然后創建了兩個線程，一個線程尋找前1000個數的最大值，另個一線程尋找后1000個數的最大值。主線程比較這兩個線程的返回結果來確定這2000個數的最大值值。

package javaleanning;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class FutureDemo {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException{
		int[] a = new int[2000];
		Random rd = new Random();
		for(int i = 0; i < 2000; i++){
			a[i] = rd.nextInt(20000);
		}
		
		class FindMax implements Callable<Integer>{
			private int begin,end,int a[];
			public FindMax(int a[],int begin, int end){
				this.a = a;

                                this.begin = begin;
				this.end = end;
			}
			@Override
			public Integer call() throws Exception {
				int maxInPart = a[begin];
				for(int i = begin; i <= end; i++){
					if(a[i] > maxInPart){
						maxInPart = a[i];
					}
				}
				return new Integer(maxInPart);
			}
		}
		
		FutureTask<Integer> findMaxInFirstPart = 

                              new FutureTask<Integer>(new FindMax(a,0,999));
		FutureTask<Integer> findMaxInSecondPart = 

                              new FutureTask<Integer>(new FindMax(a,1000,1999));
		
		new Thread(findMaxInFirstPart).start();
		new Thread(findMaxInSecondPart).start();
		
		int maxInFirst =  (int) findMaxInFirstPart.get();
		int maxInSecond = (int) findMaxInSecondPart.get();
		System.out.println("Max is " + 

                            (maxInFirst > maxInSecond ? maxInFirst:maxInSecond));
		//驗證結果是否正確
		int max = a[0];
		for(int i = 0; i < 2000; i++){
			if(a[i] > max){
				max = a[i];
			}
		}
		System.out.println(max);
	}
}

3. FutureTask的實現原理

構造函數

public FutureTask(Callable<V> callable) {
    if (callable == null)
        throw new NullPointerException();
    this.callable = callable;
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
    this.callable = Executors.callable(runnable, result);
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

     FutureTask有兩個構造函數，通常來說我們使用第一個構造函數。這里要強調一下第二個構造函數，它有兩個類型參數，分別是Runnable類型和泛型V，然后由這兩個構造一個Callable對象。當線程運行結束以后會返回由構造函數傳遞進來的這個泛型result對象，也就是說返回的值並不是通過運行得到的，而是由構造函數獲取的一個指定的對象。

重要數據成員

private volatile int state;
private Object outcome; 
private volatile Thread runner;
private volatile WaitNode waiters;

         state表明了線程運行call方法的狀態，初始狀態為0，完成后由run方法將其設置為1。通過get方法獲取結果時就必須檢查state的值，如果該值為0，表明需要等待該結果，get方法就會將當前線程阻塞。

        outcome表示了call方法的返回結果

        runner表示運行FutureTask方法的線程，其值會在run方法中進行初始化

        waiters指向了因獲取結果而等待的線程組成的隊列

重要方法

public void run() {
    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);
        }
    } 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);
    }
}

         從代碼中可以看出run方法中調用了從構造函數傳遞來的call方法。

protected void set(V v) {
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = v;
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

       當call方法執行完畢后，run方法調用又調用了set方法，它主要實現兩個功能，一個是將結果賦值給outcome，另一個是通過finishCompletion喚醒由調用此FutureTask對象的get方法而阻塞的線程

private void finishCompletion() {
    // assert state > COMPLETING;
    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, 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
}

 

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

        在get方法中首先判斷了state的值，如果call方法還未完成，就會通過awaitDone來阻塞自己。

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
        final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
        WaitNode q = null;
        boolean queued = false;
        for (;;) {
            if (Thread.interrupted()) {
                removeWaiter(q);
                throw new InterruptedException();
            }

            int s = state;
            if (s > COMPLETING) {
                if (q != null)
                    q.thread = null;
                return s;
            }
            else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
                Thread.yield();
            else if (q == null)
                q = new WaitNode();
            else if (!queued)
                queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                     q.next = waiters, q);
            else if (timed) {
                nanos = deadline - System.nanoTime();
                if (nanos <= 0L) {
                    removeWaiter(q);
                    return state;
                }
                LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
            else
                LockSupport.park(this);
        }
    }

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
    if (!(state == NEW &&
          UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
              mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
        return false;
    try {    // in case call to interrupt throws exception
        if (mayInterruptIfRunning) {
            try {
                Thread t = runner;
                if (t != null)
                    t.interrupt();
            } finally { // final state
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
            }
        }
    } finally {
        finishCompletion();
    }
    return true;
}

       在cannel方法中，如果允許對線程中斷，則設置該線程的中斷標志位，並通過finishCompletion方法喚醒因等待結果而阻塞的線程。

參考文章

[1] http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3949310.html

[2] http://www.open-open.com/lib/view/open1384351141649.html