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[Java教程]Callable、Future、RunnableFuture、FutureTask的原理及应用


1. Callable、Future、RunnableFuture、FutureTask的继承关系

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        在多线程编程中,我们一般通过一个实现了Runnable接口的对象来创建一个线程,这个线程在内部会执行Runnable对象的run方法。如果说我们创建一个线程来完成某项工作,希望在完成以后该线程能够返回一个结果,但run方法的返回值是void类型,直接实现run方法并不可行,这时我们就要通过FutureTask类来间接实现。

        FutureTask实现了RunnableFuture接口,而RunnableFuture接口实际上仅仅是Runnable接口和Future接口的合体。Future接口提供取消任务、检测任务是否执行完成、等待任务执行完成获得结果等方法。从图中可以看出,FutureTask类中的run方法已经实现好了(图中的代码仅仅是核心代码),这个run方法实际上就是调用了由构造函数传递进来的call方法,并将返回值存储在FutureTask的私有数据成员outcome中。这样一来我们将FutureTask传递给一个Thread时,表面上我们仍然执行的是run,但在run方法的内部实际上执行的是带有返回值的call方法,这样即使得java多线程的执行框架保持不变,又实现了线程完成后返回结果的功能。同时FutureTask又将结果存储在outcome中,我们可以通过调用FutureTask对象的get方法获取outcome(也就是call方法的返回结果)。

Future接口功能介绍

boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

功能:设置线程的中断标志位

参数:mayInterruptIfRunning为ture,如果线程可以取消则设置线程的中断标志位

返回值:若线程已经完成,返回false;否则返回true

注意:要实现取消线程执行的功能,call函数需要在循环条件中检查中断标志位,以跳出循环

boolean isCancelled();

判断线程是否取消

boolean isDone();

线程执行完成,返回true;如果cancel方法返回true,则该方法也返回true

V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

获取call方法的返回结果,如果call方法没有执行完成,则会阻塞当前线程,直到call方法执行完毕,才被唤醒

V get(long timeout, TimeUnit unit)

设置时限的get方法。

2. Future及FutureTask的使用

      Future以及FutureTask是线程池实现的基础元素,但不是说Future及FutureTask只能在线程池中才能使用,下面的例子就说明了FutureTask独立使用的情况。在这个例子中,我们首先随机产生了2000个整数存于数组中,然后创建了两个线程,一个线程寻找前1000个数的最大值,另个一线程寻找后1000个数的最大值。主线程比较这两个线程的返回结果来确定这2000个数的最大值值。

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;			public FindMax(int a[],int begin, int end){				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));		//验证结果是否正确		int max = a[0];		for(int i = 0; i < 2000; i++){			if(a[i] > max){				max = a[i];			}		}		System.out.println(max);	}}

3. FutureTask的实现原理

构造函数

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有两个构造函数,通常来说我们使用第一个构造函数。这里要强调一下第二个构造函数,它有两个类型参数,分别是Runnable类型和泛型V,然后由这两个构造一个Callable对象。当线程运行结束以后会返回由构造函数传递进来的这个泛型result对象,也就是说返回的值并不是通过运行得到的,而是由构造函数获取的一个指定的对象。

重要数据成员

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

         state表明了线程运行call方法的状态,初始状态为0,完成后由run方法将其设置为1。通过get方法获取结果时就必须检查state的值,如果该值为0,表明需要等待该结果,get方法就会将当前线程阻塞。

        outcome表示了call方法的返回结果

        runner表示运行FutureTask方法的线程,其值会在run方法中进行初始化

        waiters指向了因获取结果而等待的线程组成的队列

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);  }}

         从代码中可以看出run方法中调用了从构造函数传递来的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();  }}

       当call方法执行完毕后,run方法调用又调用了set方法,它主要实现两个功能,一个是将结果赋值给outcome,另一个是通过finishCompletion唤醒由调用此FutureTask对象的get方法而阻塞的线程

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方法中首先判断了state的值,如果call方法还未完成,就会通过awaitDone来阻塞自己。

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,如果允许对线程中断,则设置该线程的中断标志位,并通过finishCompletion方法唤醒因等待结果而阻塞的线程。

参考文章

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

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