04徹底理解Java的Future模式

啓動一個FutureTask，將耗時操作放在Callable裏面進行操作(這樣不會堵塞線程，Callable相當於runnable，不過是有返回值的)

先上一個場景：假如你突然想做飯，但是沒有廚具，也沒有食材。網上購買廚具比較方便，食材去超市買更放心。

實現分析：在快遞員送廚具的期間，我們肯定不會閒着，可以去超市買食材。所以，在主線程裏面另起一個子線程去網購廚具。

但是，子線程執行的結果是要返回廚具的，而run方法是沒有返回值的。所以，這纔是難點，需要好好考慮一下。

模擬代碼1：

package test;

public class CommonCook {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        // 第一步 網購廚具
        OnlineShopping thread = new OnlineShopping();
        thread.start();
        thread.join();  // 保證廚具送到
        // 第二步 去超市購買食材
        Thread.sleep(2000);  // 模擬購買食材時間
        Shicai shicai = new Shicai();
        System.out.println("第二步：食材到位");
        // 第三步 用廚具烹飪食材
        System.out.println("第三步：開始展現廚藝");
        cook(thread.chuju, shicai);
        
        System.out.println("總共用時" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
    }
    
    // 網購廚具線程
    static class OnlineShopping extends Thread {
        
        private Chuju chuju;

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("第一步：下單");
            System.out.println("第一步：等待送貨");
            try {
                Thread.sleep(5000);  // 模擬送貨時間
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("第一步：快遞送到");
            chuju = new Chuju();
        }
        
    }

    //  用廚具烹飪食材
    static void cook(Chuju chuju, Shicai shicai) {}
    
    // 廚具類
    static class Chuju {}
    
    // 食材類
    static class Shicai {}
}

運行結果：

第一步：下單
第一步：等待送貨
第一步：快遞送到
第二步：食材到位
第三步：開始展現廚藝
總共用時7013ms

可以看到，多線程已經失去了意義。在廚具送到期間，我們不能幹任何事。對應代碼，就是調用join方法阻塞主線程。

有人問了，不阻塞主線程行不行？？？

不行！！！

從代碼來看的話，run方法不執行完，屬性chuju就沒有被賦值，還是null。換句話說，沒有廚具，怎麼做飯。

Java現在的多線程機制，核心方法run是沒有返回值的；如果要保存run方法裏面的計算結果，必須等待run方法計算完，無論計算過程多麼耗時。

面對這種尷尬的處境，程序員就會想：在子線程run方法計算的期間，能不能在主線程裏面繼續異步執行？？？

Where there is a will，there is a way！！！

這種想法的核心就是Future模式，下面先應用一下Java自己實現的Future模式。

模擬代碼2：

package test;

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

public class FutureCook {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        // 第一步 網購廚具
        Callable<Chuju> onlineShopping = new Callable<Chuju>() {

            @Override
            public Chuju call() throws Exception {
                System.out.println("第一步：下單");
                System.out.println("第一步：等待送貨");
                Thread.sleep(5000);  // 模擬送貨時間
                System.out.println("第一步：快遞送到");
                return new Chuju();
            }
            
        };
        FutureTask<Chuju> task = new FutureTask<Chuju>(onlineShopping);
        new Thread(task).start();
        // 第二步 去超市購買食材
        Thread.sleep(2000);  // 模擬購買食材時間
        Shicai shicai = new Shicai();
        System.out.println("第二步：食材到位");
        // 第三步 用廚具烹飪食材
        if (!task.isDone()) {  // 聯繫快遞員，詢問是否到貨
            System.out.println("第三步：廚具還沒到，心情好就等着（心情不好就調用cancel方法取消訂單）");
        }
        Chuju chuju = task.get();
        System.out.println("第三步：廚具到位，開始展現廚藝");
        cook(chuju, shicai);
        
        System.out.println("總共用時" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
    }
    
    //  用廚具烹飪食材
    static void cook(Chuju chuju, Shicai shicai) {}
    
    // 廚具類
    static class Chuju {}
    
    // 食材類
    static class Shicai {}

}

運行結果：

第一步：下單
第一步：等待送貨
第二步：食材到位
第三步：廚具還沒到，心情好就等着（心情不好就調用cancel方法取消訂單）
第一步：快遞送到
第三步：廚具到位，開始展現廚藝
總共用時5005ms

可以看見，在快遞員送廚具的期間，我們沒有閒着，可以去買食材；而且我們知道廚具到沒到，甚至可以在廚具沒到的時候，取消訂單不要了。

好神奇，有沒有。

下面具體分析一下第二段代碼：

1）把耗時的網購廚具邏輯，封裝到了一個Callable的call方法裏面。

public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

Callable接口可以看作是Runnable接口的補充，call方法帶有返回值，並且可以拋出異常。

2）把Callable實例當作參數，生成一個FutureTask的對象，然後把這個對象當作一個Runnable，作爲參數另起線程。

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V>

public interface Future<V> {

    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    boolean isCancelled();

    boolean isDone();

    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

這個繼承體系中的核心接口是Future。Future的核心思想是：一個方法f，計算過程可能非常耗時，等待f返回，顯然不明智。可以在調用f的時候，立馬返回一個Future，可以通過Future這個數據結構去控制方法f的計算過程。

這裏的控制包括：

get方法：獲取計算結果（如果還沒計算完，也是必須等待的）

cancel方法：還沒計算完，可以取消計算過程

isDone方法：判斷是否計算完

isCancelled方法：判斷計算是否被取消

這些接口的設計很完美，FutureTask的實現註定不會簡單，後面再說。

3）在第三步裏面，調用了isDone方法查看狀態，然後直接調用task.get方法獲取廚具，不過這時還沒送到，所以還是會等待3秒。對比第一段代碼的執行結果，這裏我們節省了2秒。這是因爲在快遞員送貨期間，我們去超市購買食材，這兩件事在同一時間段內異步執行。

通過以上3步，我們就完成了對Java原生Future模式最基本的應用。下面具體分析下FutureTask的實現，先看JDK8的，再比較一下JDK6的實現。

既然FutureTask也是一個Runnable，那就看看它的run方法

public void run() {
        if (state != NEW ||
            !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                         null, Thread.currentThread()))
            return;
        try {
            Callable<V> c = callable; // 這裏的callable是從構造方法裏面傳人的
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
                try {
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex); // 保存call方法拋出的異常
                }
                if (ran)
                    set(result); // 保存call方法的執行結果
            }
        } 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);
        }
    }

先看try語句塊裏面的邏輯，發現run方法的主要邏輯就是運行Callable的call方法，然後將保存結果或者異常（用的一個屬性result）。這裏比較難想到的是，將call方法拋出的異常也保存起來了。

這裏表示狀態的屬性state是個什麼鬼

     * Possible state transitions:
     * NEW -> COMPLETING -> NORMAL
     * NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
     * NEW -> CANCELLED
     * NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
     */
    private volatile int state;
    private static final int NEW          = 0;
    private static final int COMPLETING   = 1;
    private static final int NORMAL       = 2;
    private static final int EXCEPTIONAL  = 3;
    private static final int CANCELLED    = 4;
    private static final int INTERRUPTING = 5;
    private static final int INTERRUPTED  = 6;

把FutureTask看作一個Future，那麼它的作用就是控制Callable的call方法的執行過程，在執行的過程中自然會有狀態的轉換：

1）一個FutureTask新建出來，state就是NEW狀態；COMPETING和INTERRUPTING用的進行時，表示瞬時狀態，存在時間極短(爲什麼要設立這種狀態？？？不解)；NORMAL代表順利完成；EXCEPTIONAL代表執行過程出現異常；CANCELED代表執行過程被取消；INTERRUPTED被中斷

2）執行過程順利完成：NEW -> COMPLETING -> NORMAL

3）執行過程出現異常：NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL

4）執行過程被取消：NEW -> CANCELLED

5）執行過程中，線程中斷：NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED

代碼中狀態判斷、CAS操作等細節，請讀者自己閱讀。

再看看get方法的實現：

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

    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);
        }
    }

get方法的邏輯很簡單，如果call方法的執行過程已完成，就把結果給出去；如果未完成，就將當前線程掛起等待。awaitDone方法裏面死循環的邏輯，推演幾遍就能弄懂；它裏面掛起線程的主要創新是定義了WaitNode類，來將多個等待線程組織成隊列，這是與JDK6的實現最大的不同。

掛起的線程何時被喚醒：

    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); // 喚醒線程
                    }
                    WaitNode next = q.next;
                    if (next == null)
                        break;
                    q.next = null; // unlink to help gc
                    q = next;
                }
                break;
            }
        }

        done();

        callable = null;        // to reduce footprint
    }

以上就是JDK8的大體實現邏輯，像cancel、set等方法，也請讀者自己閱讀。

再來看看JDK6的實現。

JDK6的FutureTask的基本操作都是通過自己的內部類Sync來實現的，而Sync繼承自AbstractQueuedSynchronizer這個出鏡率極高的併發工具類

       /** State value representing that task is running */
        private static final int RUNNING   = 1;
        /** State value representing that task ran */
        private static final int RAN       = 2;
        /** State value representing that task was cancelled */
        private static final int CANCELLED = 4;

        /** The underlying callable */
        private final Callable<V> callable;
        /** The result to return from get() */
        private V result;
        /** The exception to throw from get() */
        private Throwable exception;

裏面的狀態只有基本的幾個，而且計算結果和異常是分開保存的。

        V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException {
            acquireSharedInterruptibly(0);
            if (getState() == CANCELLED)
                throw new CancellationException();
            if (exception != null)
                throw new ExecutionException(exception);
            return result;
        }

這個get方法裏面處理等待線程隊列的方式是調用了acquireSharedInterruptibly方法

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