Java非同步程式設計——深入原始碼分析FutureTask

公眾號_Zack說碼發表於2018-10-09
Java非同步程式設計原始碼

Java的非同步程式設計是一項非常常用的多執行緒技術。

之前通過原始碼詳細分析了ThreadPoolExecutor《你真的懂ThreadPoolExecutor執行緒池技術嗎？看了原始碼你會有全新的認識》。通過建立一個ThreadPoolExecutor，往裡面丟任務就可以實現多執行緒非同步執行了。

但之前的任務主要傾向於執行緒池，並沒有講到非同步程式設計方面的內容。本文將通過介紹Executor+Future框架（FutureTask是實現的核心），來深入瞭解下Java的非同步程式設計。

萬事從示例開始，我們先通過示例Demo有一個直觀的印象，再深入去了解概念與原理。

使用示例

Demo：

Java非同步程式設計——深入原始碼分析FutureTask

使用上比較簡單，

執行結果：

任務1非同步執行：0
任務2非同步執行：0
任務2非同步執行：1
...
任務2非同步執行：45
同步程式碼
任務2非同步執行：24
...
任務1非同步執行：199
任務1:執行完成
...
任務2非同步執行：199
任務2：執行完成

複製程式碼

假若你多次執行這個程式，會發現結果大大的不一樣，因為兩個任務和同步程式碼是非同步由多條執行緒執行的，列印的結果當然是隨機的。

回顧這個Demo做了什麼，

  1. 構建了一個執行緒池
  2. 往執行緒池裡面丟兩個需要執行的任務
  3. 最後獲取這兩個任務的結果

其中第二點是非同步執行兩個任務，這兩個任務和主執行緒分別是用了三個執行緒併發執行的，第三點是在主執行緒中同步等待兩個任務的結果。

很容易看出來，非同步程式設計的好處就在於可以讓不相干的任務非同步執行，不阻塞主執行緒。若是主執行緒需要非同步執行的結果，此時再去等待結果會更加高效，提高程式的執行效率。

下面來看看整個流程的實現原理。

原始碼分析

一般在實際專案中，都會有配置有自己的執行緒池，建議大家在用非同步程式設計時，配置一個專用的執行緒池，做好執行緒隔離，避免非同步執行緒影響到其他模組的工作。Demo中為了方便，直接呼叫Exectors的方法生成一個臨時的執行緒池，日常不建議使用。

我們從這個ExecutorService.submit()方法入手，看看整體實現。

Java非同步程式設計——深入原始碼分析FutureTask
ExecutorService.submit()定義一個介面。這個介面接收一個Callable引數（執行的任務），返回一個Future（計算結果）。

Callable，相當於一個需要執行的任務。它不接收任何引數，可以返回結果，可以丟擲異常。相類似的還有Runnable，它也是不接收，不同點在於它不返回結果，也不拋異常，異常需要在任務內部處理。總結來說Callable更像一個方法的呼叫，Runnable則是一個不需要理會結果的呼叫。在JDK 8以後，它們都可以通過Lamda表示式寫法去替代內部類的寫法（詳見Demo）。

Future，一個非同步計算的結果。呼叫get()方法可以得到對應的計算結果，如果呼叫時沒有非同步計算完，會阻塞等待計算的結果。同時它還提供方法可以嘗試取消任務的執行。

看回ExecutorService.submit()的實現，程式碼在實現類AbstractExecutorService中。

Java非同步程式設計——深入原始碼分析FutureTask
除了它介面的實現，還提供了兩種變形。原來介面只接收Callable引數，實現類中還新增了接收Runnable引數的。

如果看過之前寫的《你真的懂ThreadPoolExecutor執行緒池技術嗎？看了原始碼你會有全新的認識》，應該瞭解ThreadPoolExecutor執行任務是可以呼叫execute()方法的。而這裡面submit()方法則是為Callable/Runnable加多一層FutureTask，從而 使執行結果有一個存放的地方，同時也新增一個可以取消的功能。原本的execute()只能執行任務，不會返回結果的，具體實現原理可以看看之前的文章分析。

FutureTask是RunnableFuture的實現。而RunnableFuture是繼承Future和Runnable介面的，定義run()介面。

Java非同步程式設計——深入原始碼分析FutureTask
因為FutureTask有run()介面，所以可以直接用一個Callable/Runnable建立一個FutureTask單獨執行。但這樣並沒有非同步的效果，因為沒有啟用新的執行緒去跑，而是在原來的執行緒阻塞執行的。

到這裡我們清楚知道了，submit()方法重點是利用Callable/Runnable建立一個FutureTask，然後多執行緒執行run()方法，達到非同步處理並且得到結果的效果。而FutureTask的重點則是run()方法如何持有儲存計算的結果。

FutureTask.run()

Java非同步程式設計——深入原始碼分析FutureTask
首先判斷futureTask物件的state狀態，如果不是NEW的話，證明已經開始執行過了，則退出執行。同時futureTask物件通過CAS，把當前執行緒賦值給變數runner（是Thread型別，說明物件使用哪個執行緒執行的），如果CAS失敗則退出。

外層try{}程式碼塊中，對callable判空和state狀態必須是NEW。內層try{}程式碼真正呼叫callable，開始執行任務。若執行成功，則把ran變數設為true，儲存結果在result變數中，證明已跑成功過了；若拋異常了，則設為false，result為空，並且呼叫setException()儲存異常。最後如果ran為true的話，則呼叫set()儲存result結果。

看下setException()和set()的實現。

Java非同步程式設計——深入原始碼分析FutureTask
兩者的基本流程一樣，CAS置換狀態，儲存結果在outcome變數道中，但setException()儲存的結果型別固定是Throwable。另外一個不同在於最終state狀態，一個是EXCEPTION，一個是NORMAL。

這兩個方法最後都呼叫了finishCompletion()。這個方法主要是配合執行緒池喚醒下一個任務。

FutureTask.get()

從上面run()方法得知，最後執行的結果放在了outcome變數中。那最終怎麼從其中取出結果來，我們來看看get()方法。

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從原始碼可知，get()方法分兩步。第一步，先判斷狀態，如果計算為完成，則需要阻塞地等待完成。第二步，如果完成了，則呼叫report()方法獲取結果並返回。

先看看awaitDone()阻塞等待完成。該方法可以選用超時功能。

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在自旋的for()迴圈中，

  • 先判斷是否執行緒被中斷，中斷的話拋異常退出。
  • 然後開始判斷執行的state值，如果state大於COMPLETING，證明計算已經是終態了，此時返回終態變數。
  • 若state等於COMPLETING，證明已經開始計算，並且還在計算中。此時為了避免過多的CPU時間放在這個for迴圈的自旋上，程式執行Thread.yield()，把執行緒從執行態降為就緒態，讓出CPU時間。
  • 若以上狀態都不是，則證明state為NEW，還沒開始執行。那麼程式在當前迴圈現在會新增一個WaitNode，在下一個迴圈裡面呼叫LockSupport.park()把當前執行緒阻塞。當run()方法結束的時候，會再次喚醒此執行緒，避免自旋消耗CPU時間。
  • 如果選用了超時功能，在阻塞和自旋過程中超時了，則會返回當前超時的狀態。

第二步的report()方法比較簡單。

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  • 如果狀態是NORMAL，正常結束的話，則把outcome變數返回；
  • 如果是取消或者中斷狀態的，則丟擲取消異常；
  • 如果是EXCEPTION，則把outcome當作異常丟擲（之前setException()儲存的型別就是Throwable）。從而整個get()會有一個異常丟擲。

總結

至此我們已經比較完整地瞭解Executor+Future的框架原理了，而FutureTask則是該框架的主要實現。下面總結下要點

  1. Executor.sumbit()方法非同步執行一個任務，並且返回一個Future結果。
  2. submit()的原理是利用Callable建立一個FutureTask物件，然後執行物件的run()方法，把結果儲存在outcome中。
  3. 呼叫get()獲取outcome時，如果任務未完成，會阻塞執行緒，等待執行完畢。
  4. 異常和正常結果都放在outcome中，呼叫get()獲取結果或丟擲異常。

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