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Java并发之Callable,Future,FutureTask


 

 
   在传统的多线程实现方式中(继承Thread和实现Runnable)无法直接获取线程执行的返回结果,如果需要获取执行结果,就必须通过共享变量或者使用线程通信的方式来达到效果,这样使用起来就比较麻烦。
        从Java 1.5开始,java.util.concurrent包中提供了 Callable和 Future两个接口,通过它们就可以在任务执行完毕之后得到任务执行结果。
 
        一、Callable
        返回可能抛出异常的任务的结果。实现者定义了一个不带任何参数的叫做 call 的方法。 
 
        1.Callable与 Runnable
        Callable 接口类似于 Runnable,两者都是为那些其实例可能被另一个线程执行的类设计的。但是 Runnable 不会返回结果,并且无法抛出经过检查的异常。 
        Callable是 java.util.concurrent中的接口,而 Runnable是 java.lang包中的接口。它们都只有一个方法。
        以下是 Runnable接口的源代码:
public interface Runnable {
    /**
     * 使用实现接口 Runnable 的对象创建一个线程时,
     * 启动该线程将导致在独立执行的线程中调用对象的 run 方法。 
     */
    public abstract void run();
}
 
        由于 run方法返回类型是 void,所以在执行完任务之后无法获得任何返回结果。
        接下来是 Callable接口的源代码:
public interface Callable<V> {
    /**
     * 计算结果,如果无法计算结果,则抛出一个异常。 
     */
    V call() throws Exception;
}
 
        可以看到 call方法返回了一个泛型V结果,所以我们就可以通过结果来进一步判断处理。
 
        2.Callable转换 
        Executors 类包含一些从其他普通形式(Runnable、PrivilegedAction等)转换成 Callable 类的实用方法。 
        以下是 Executors类中将 Runnable转换成 Callable的相关方法:
/**
 * 返回 Callable 对象,调用它时可运行给定的任务并返回 null
 */
static Callable<Object> callable(Runnable task) 
/**
 * 返回 Callable 对象,调用它时可运行给定的任务并返回给定的结果
 */
static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result)
 
        我们可以通过 Executors类的callable方法将 Runnable 转换成 Callable,其中 result为返回结果,以下是callable方法的源代码:
public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
    if (task == null)
        throw new NullPointerException();
    return new RunnableAdapter<T>(task, result);
}
 
        当 task为空时会抛出空指针异常,然后通过构造方法创建一个 RunnableAdapter实例。
        RunnableAdapter类是一个内部类,其实 RunnableAdapter是一个 Runnable的适配器,它的作用很简单,就是将 Runnable转换成 Callable,所以这里就用到了适配器模式,面试的时候你可以拿出去装装B。
        以下是 RunnableAdapter类的源代码:
/**
 * Runnable适配器,具有返回结果的可运行任务
 */
static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
    final Runnable task;
    final T result;
    RunnableAdapter(Runnable  task, T result) {
        this.task = task;
        this.result = result;
    }
    public T call() {
        task.run();
        return result;
    }
}
 
        代码即简洁有清晰,通过调用构造方法创建一个 RunnableAdapter实例,然后通过执行call方法运行线程,最后返回结果。
 
        3.Callable 的使用
        因为 Callable 接口并没有相关实现类,所以我们无法直接使用它,所以使用 Callable 需要调用 ExecutorService接口的 submit方法:
<T> Future<T> submit(Callable<T> task)
 
        submit提交一个返回值的任务用于执行,返回一个表示任务的未决结果的 Future。该 Future 的 get 方法在成功完成时将会返回该任务的结果。 
        如果想立即阻塞任务的等待,则可以使用:
result = executorService.submit(aCallable).get();
 
        注意:Executors 类包括了一组方法,可以转换某些其他常见的类似于闭包的对象,例如,将 PrivilegedAction 转换为 Callable 形式,这样就可以提交它们了。 
        后面的 Future章节还会更深入介绍 Callable 的相关使用。
 
        二、Future
        Future 用以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。
 
        1.继承关系
 
 
 
 
        2.Future 源代码
        以下是 Future接口的源代码:
public interface Future<V> {
/**
* 试图取消对此任务的执行
*/
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
 
/**
* 如果在任务正常完成前将其取消,则返回 true
*/
boolean isCancelled();
 
/**
* 如果任务已完成,则返回 true
*/
boolean isDone();
 
/**
* 如有必要,等待计算完成,然后获取其结果
*/
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
 
/**
* 如有必要,最多等待为使计算完成所给定的时间之后,获取其结果(如果结果可用)
*/
V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
 
 
        3.Future 相关方法
        Future包含了5个方法。
        1)get():获取其结果,这个方法会产生阻塞,会一直等到任务执行完毕才返回。
        2)get(long timeout,TimeUnit unit):与get()方法不同的是,在指定时间内等待结果的返回,如果指定时间已到仍没有结果,则返回null。
        3)isDone():如果任务已完成,则返回 true。 可能由于正常终止、异常或取消而完成,在所有这些情况中,此方法也都将返回 true。
        4)cancel(boolean mayInterruptIfRunning):试图取消对此任务的执行。如果任务已完成、已取消或者由于某些其他原因而无法取消,则此尝试将失败。当调用 cancel 时,如果调用成功,而此任务尚未启动,则此任务将永不运行。如果任务已经启动,则 mayInterruptIfRunning 参数确定是否应该以试图停止任务的方式来中断执行此任务的线程。 
        此方法返回后,对 isDone() 的后续调用将始终返回 true。如果此方法返回 true,则对 isCancelled() 的后续调用将始终返回 true。 
        5)isCancelled():如果在任务正常完成前将其取消,则返回 true。
        通过 Future可以:
        1)判断任务是否完成;
        2)能够中断任务;
        3)能够获取任务执行结果。
 
        4.Future的使用
        1)执行Future
 
        使用 ExecutorService的 submit(Callable<T> task)方法。
 
public class FutureTest {
 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
// 创建线程池
ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
// 创建FutureThread实例
FutureThread ft = new FutureThread();
// 调用ExecutorService的 submit(Callable<T> task)方法,执行ft
Future<Integer> f = es.submit(ft);
// 关闭线程池
es.shutdown();
// 获取结果
Integer result = f.get();
// 判断结果
if (result != null) {
System.out.println("执行成功,结果为:" + result);
} else {
System.out.println("执行失败");
}
}
}
 
class FutureThread implements Callable<Integer> {
 
// 执行函数
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("开始执行");
return new Random().nextInt(100);
}
}
//结果:
开始执行
执行成功,结果为:51
 
        首先,创建一个 Callable实现类,其中 call方法中是线程要执行的方法,这与 run方法类似。
        然后,创建一个 ExecutorService实例,也就是线程池,然后调用submit方法将之前的 Callable实现传递执行。
 
        最终,通过 Future的get方法可以获取到线程的执行结果,进一步处理。
 
 
        2)取消 Future
        使用 Future的 cancel方法尝试取消Future:
public class FutureTest {
 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
// 创建线程池
ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
// 创建FutureThread实例
FutureThread ft = new FutureThread();
// 调用ExecutorService的 submit(Callable<T> task)方法,执行ft
Future<Integer> f = es.submit(ft);
// 取消
f.cancel(true);
if (!f.isCancelled()) {
// 获取结果
Integer result = f.get();
// 判断结果
if (result != null) {
System.out.println("执行成功,结果为:" + result);
} else {
System.out.println("执行失败");
}
} else {
System.out.println("执行已被取消");
}
// 关闭线程池
es.shutdown();
}
}
 
class FutureThread implements Callable<Integer> {
 
// 执行函数
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("开始执行");
return new Random().nextInt(100);
}
}
//结果:
执行已被取消
 
 
        3)判断Future是否完成
        可以通过isDone()方法判断 Future是否已经完成:
public class FutureTest {
 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
// 创建线程池
ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
// 创建FutureThread实例
FutureThread ft = new FutureThread();
// 调用ExecutorService的 submit(Callable<T> task)方法,执行ft
Future<Integer> f = es.submit(ft);
// 取消
// f.cancel(true);
if (!f.isCancelled()) {
for (;;) {
if (f.isDone()) {
// 获取结果
Integer result = f.get();
// 判断结果
if (result != null) {
System.out.println("执行成功,结果为:" + result);
} else {
System.out.println("执行失败");
}
break;
} else {
System.out.println("执行未完成");
}
}
} else {
System.out.println("执行已被取消");
}
// 关闭线程池
es.shutdown();
}
}
 
class FutureThread implements Callable<Integer> {
 
// 执行函数
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("开始执行");
return new Random().nextInt(100);
}
}
//结果:
执行未完成
执行未完成
开始执行
...
...
执行未完成
执行未完成
执行成功,结果为:72
 
        当然我们并不需要这样来循环判断,因为 get方法可以阻塞等待结果。
 
        5.RunnableFuture
        RunnableFuture作为 Runnable 的 Future。成功执行 run 方法可以完成 Future 并允许访问其结果。RunnableFuture接口在 Future接口的基础上增加了一个run方法:
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    /**
     * 在未被取消的情况下,将此 Future 设置为计算的结果
     */
    void run();
}
 
        注意:在 Java中class是无法多继承的,但接口可以。
 
        6.ScheduledFuture
        ScheduledFuture是一个延迟的、结果可接受的操作,可将其取消 Future。通常已安排的 future 是用 ScheduledExecutorService 安排任务的结果
        ScheduledFuture接口继承自Delayed与 Future,其中没有任何独立方法:
public interface ScheduledFuture<V> extends Delayed, Future<V> {
}
 
        7.RunnableScheduledFuture
        RunnableScheduledFuture继承自 Runnable 的 ScheduledFuture。成功执行 run 方法可以完成 Future 并允许访问其结果。
        RunnableScheduledFuture 增加了一个isPeriodic()方法,用来判断是否是一个定期任务:
public interface RunnableScheduledFuture<V> extends RunnableFuture<V>, ScheduledFuture<V> {
 
    /**
     * 如果这是一个定期任务,则返回 true。定期任务可以根据计划重新运行。非定期任务只能运行一次
     */
    boolean isPeriodic();
}
 
 
        三、FutureTask
        可取消的异步计算任务。FutureTask提供了对 Future 的基本实现。仅在计算完成时才能获取结果;如果计算尚未完成,则阻塞 get 方法。一旦计算完成,就不能再重新开始或取消计算。 
        可使用 FutureTask 包装 Callable 或 Runnable 对象。因为 FutureTask 实现了 Runnable,所以可将 FutureTask 提交给 Executor 执行。 
        除了作为一个独立的类外,FutureTask还提供了 protected 功能(done()、set(V v)等方法),这在创建自定义任务类时可能很有用。 
 
        1.构造方法
        有两个构造方法:
/**
 * 创建一个 FutureTask,一旦运行就执行给定的 Callable
 */
public FutureTask(Callable<V> callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
sync = new Sync(callable);
}
 
/**
 * 创建一个 FutureTask,一旦运行就执行给定的 Runnable,并安排成功完成时 get 返回给定的结果
 */
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
sync = new Sync(Executors.callable(runnable, result));
}
 
        一种是直接指定 Callable为参数。另一种则是指定了 Runnable与 result。
        两个构造方法都是创建了一个 Sync实例,最终传递的参数都为 callable,Sync内部类我们已经接触过很多次了,虽然不同类中 Sync的细节实现各不相同,但实现思想基本一致。
 
        2.Sync内部类
        Sync作为 FutureTask的内部类,用以控制 FutureTask的同步。
        1)构造方法
        Sync只有一个构造方法。
Sync(Callable<V> callable) {
this.callable = callable;
}
 
        2)成员变量
/** 表示任务正在运行的状态值 */
private static final int RUNNING = 1;
/** 表示任务运行完成的状态值 */
private static final int RAN = 2;
/** 表示任务已被取消的状态值 */
private static final int CANCELLED = 4;
 
/** 底层 callable */
private final Callable<V> callable;
/** 返回结果,通过get方法获取 */
private V result;
/** 从get方法中抛出的异常 */
private Throwable exception;
 
/**
 * 运行任务的线程
 */
private volatile Thread runner;
 
        从成员变量中可以看到 FutureTask拥有四种状态:未运行(0)、运行中(1),已运行(2)和已取消(4)。 其中未运行是默认状态,状态值为0,其他三种已经在类中定义。其他几个成员变量分别是运行相关的声明。
        3)核心方法
      (1)innerGet方法
        innerGet方法是Sync中获取执行结果的方法,FutureTask的 get方法也是调用的本方法。
        以下是 innerGet方法的源代码:
V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException {
acquireSharedInterruptibly(0);
if (getState() == CANCELLED)
throw new CancellationException();
if (exception != null)
throw new ExecutionException(exception);
return result;
}
 
        innerGet方法首先调用的是AQS(AbstractQueuedSynchronizer)的 acquireSharedInterruptibly方法,最终调用的是 doAcquireSharedInterruptibly方法。然后判断任务状态,如果已经取消则抛出 CancellationException异常,然后判断异常信息,如果有则抛出。最后返回结果。
        doAcquireSharedInterruptibly的核心代码为:
for (;;) {
    final Node p = node.predecessor();
    if (p == head) {
        int r = tryAcquireShared(arg);
        if (r >= 0) {
            setHeadAndPropagate(node, r);
            p.next = null; // help GC
            return;
        }
    }
    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
        parkAndCheckInterrupt())
        break;
}
 
      (2)innerGet(long nanosTimeout)方法
        与 innerGet()方法类似,只是innerGet(long nanosTimeout)会在指定时间内未得到结果时返回null。
      (3)innerRun()方法
        FutureTask运行任务时会调用 Sync的 innerRun方法。
void innerRun() {
//首先设置状态,未运行-->运行中
    if (!compareAndSetState(0, RUNNING))
        return;
    try {
    //获取当前线程
        runner = Thread.currentThread();
        //判断状态
        if (getState() == RUNNING)
            //开始执行
             innerSet(callable.call());
        else
            //释放共享锁
            releaseShared(0);
    } catch (Throwable ex) {
    //处理异常
        innerSetException(ex);
    }
}
 
        首先会将未运行状态设置成运行中,也就是判断该任务是否已经执行过,然后再设置状态。其中会调用 innerSet方法来执行任务。调用 releaseShared方法来取消任务。
        (4)innerSet(V v)方法
void innerSet(V v) {
for (;;) {
//获取状态
int s = getState();
//如果s==2,即已运行过,则返回
if (s == RAN)
return;
//如果s==4,即已取消
if (s == CANCELLED) {
//释放共享锁
releaseShared(0);
return;
}
//设置状态为RAN,值为2
if (compareAndSetState(s, RAN)) {
                        //设置结果
result = v;
//释放共享锁
releaseShared(0);
//调用done方法,done方法需要使用者自行实现
done();
return;
}
}
}
 
       (5)innerSetException
        innerSetException方法与innerSet方法流程基本一致,只是在其中添加了异常信息的设置。
 
void innerSetException(Throwable t) {
for (;;) {
//获取状态
int s = getState();
//如果已运行则返回
if (s == RAN)
return;
//如果为取消状态
if (s == CANCELLED) {
//释放共享锁
releaseShared(0);
return;
}
//设置状态为RAN
if (compareAndSetState(s, RAN)) {
//设置异常信息
exception = t;
result = null;
//释放共享锁
releaseShared(0);
done();
return;
}
}
}
 
       (6)innerCancel
        innerCancel方法用于取消任务执行。
 
boolean innerCancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
for (;;) {
// 获取状态
int s = getState();
// 判断状态是否为 RAN或 CANCELLED
if (ranOrCancelled(s))
return false;
// 设置状态值为 CANCELLED
if (compareAndSetState(s, CANCELLED))
break;
}
// 如果可以中断
if (mayInterruptIfRunning) {
Thread r = runner;
if (r != null)
// 中断线程
r.interrupt();
}
// 释放共享锁
releaseShared(0);
//调用done方法
done();
return true;
}
 
       (7)innerRunAndReset
        innerRunAndReset与innerRun不同之处在于,innerRunAndReset只运行却不返回结果,所以innerRunAndReset更适合一些重置恢复的操作。
 
boolean innerRunAndReset() {
// 将状态为未运行设置为运行中
if (!compareAndSetState(0, RUNNING))
return false;
try {
runner = Thread.currentThread();
// 再次判断状态
if (getState() == RUNNING)
// 执行call
callable.call(); // 不设置结果
runner = null;
// 将状态重置为未运行
return compareAndSetState(RUNNING, 0);
} catch (Throwable ex) {
// 设置异常
innerSetException(ex);
return false;
}
}
 
 
 
        4)其他方法
       (1)ranOrCancelled
        判断状态是否为 RAN或 CANCELLED状态。
private boolean ranOrCancelled(int state) {
return (state & (RAN | CANCELLED)) != 0;
}
 
        可以看到 ranOrCancelled是通过状态值与 RAN或 CANCELLED值做与运算。
        假设此时state值为0,与运算后结果为0,则最终结果就为false,所以即不为 RAN也不为 CANCELLED。
 
       (2)innerIsDone
        判断内部执行是否完成。
boolean innerIsDone() {
return ranOrCancelled(getState()) && runner == null;
}
 
        首先判断状态是否为 RAN或 CANCELLED,然后再判断 runner是否为空。
       (3)tryReleaseShared
        尝试释放共享锁。
/**
 * AQS的基本实现,当状态为已完成和runner为空时释放共享锁
 */
protected boolean tryReleaseShared(int ignore) {
runner = null;
return true;
}
 
        可以看到 tryReleaseShared为 protected 方法,而且方法体中也没有太具体的实现,那是因为这种 protected 修饰的方法需要使用者自行实现。
 
        还有几个其他类似的方法,这里就不一一说明了,它们的原理跟这几个方法类似。
 
 
        3.FutureTask方法
        1)get()方法
        等待计算完成,然后获取其结果,如果未返回结果则阻塞。
        以下是get方法的源代码:
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
return sync.innerGet();
}
 
        get方法调用的是Sync内部类的 innerGet方法,innerGet方法在上面已经分析过,这里就不赘述了。
        2)get(long timeout, TimeUnit unit)方法
        在指定时间内等待,如果时间已到无结果则返回null。
        3)set(V v)方法
        除非已经设置了此 Future 或已将其取消,否则将其结果设置为给定的值。在计算成功完成时通过 run 方法内部调用此方法。
 
        set方法调用的是Sync内部类的innerSet方法。
 
protected void set(V v) {
    sync.innerSet(v);
}
 
        4)run()方法
        除非已将此 Future 取消,否则将其设置为其计算的结果。
        run方法调用的是Sync内部类的 innerRun方法。
public void run() {
sync.innerRun();
}
 
        5)runAndReset()方法
        执行计算而不设置其结果,然后将此 Future 重置为初始状态,如果计算遇到异常或已取消,则该操作失败。本操作被设计用于那些本质上要执行多次的任务。
 
        runAndReset方法调用的是Sync内部类的 runAndReset方法。
 
 
 
protected boolean runAndReset() {
    return sync.innerRunAndReset();
}
 
        6)cancel(boolean mayInterruptIfRunning)方法
        试图取消对此任务的执行。如果任务已完成、或已取消,或者由于某些其他原因而无法取消,则此尝试将失败。当调用 cancel 时,如果调用成功,而此任务尚未启动,则此任务将永不运行。如果任务已经启动,则 mayInterruptIfRunning 参数确定是否应该以试图停止任务的方式来中断执行此任务的线程。 
 
        cancel方法调用的也是Sync内部类的 innerCancel方法。
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
    return sync.innerCancel(mayInterruptIfRunning);
}
 
        可以看到 FutureTask的几个方法其实调用的都是Sync内部类的相关方法,所以 FutureTask的其他方法就不介绍了,只需要把 Sync的相关方法理解就可以了。
 
        4.FutureTask使用
        FutureTask的各个方法我们基本已经了解了,接下来就是通过实例来学习如何使用 FutureTask。
        FutureTask与 Future的使用方式类似:
public class FutureTest {
 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
// 创建线程池
ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
// 创建FutureThread实例
FutureThread ft = new FutureThread();
 
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(ft);
// 第一种方式,使用方式与 Future相同
es.submit(futureTask);
 
// 第二种方式,使用 Thread运行 Runnable实现,同样可以得到结果
//Thread thread = new Thread(futureTask);
//thread.start();
 
// 关闭线程池
es.shutdown();
// 获取结果
Integer result = futureTask.get();
// 判断结果
if (result != null) {
System.out.println("执行成功,结果为:" + result);
} else {
System.out.println("执行失败");
}
}
}
 
class FutureThread implements Callable<Integer> {
 
// 执行函数
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("开始执行");
return new Random().nextInt(100);
}
}
 
        除了之上创建FutureTask实例的方式外,我们还可以这样来写:
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(new Callable<Integer>() {
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("开始执行");
return new Random().nextInt(100);
}
});