揭開Future的神祕面紗——結果獲取

貓毛·波拿巴發表於2018-11-04

前言

　　在前面的兩篇博文中，已經介紹利用FutureTask任務的執行流程，以及利用其實現的cancel方法取消任務的情況。本篇就來介紹下，執行緒任務的結果獲取。

系列目錄

利用get方法獲取程式執行結果

　　我們知道利用Future介面的最重要的操作就是要獲取任務的結果，而此操作對應的方法就是get。但是問題來了，如果我呼叫get方法的時候，任務還沒有完成呢？答案就是，等它完成，當前執行緒將被阻塞，直到任務完成（注意，這裡說的完成，指的是任務結束，因為異常而結束也算），get方法返回。主執行緒（不是執行任務的執行緒）才被喚醒，然後繼續執行。

 

靈活的get方法(帶超時時間的get)

　　有人可能會問，如果我呼叫get方法的時候，任務離完成還需要很長時間，那麼我主執行緒不是會浪費一些時間？是的，如果主執行緒比較忙的話，這樣確實主執行緒的效率。不過還有一個有參的get方法，此方法以等待時長為引數，如果時長結束，任務還沒完成，主執行緒將繼續執行，然後會在之後的某個時間再來獲取任務結果。（當然如果主執行緒依賴這個任務結果才能繼續執行，那麼只能老老實實地等了）

FutureTask的阻塞模型

　　要想了解get方法的具體實現，必須先弄清楚，它是如何阻塞的。前篇博文已經提到，FutureTask有型別為WaitNode欄位waiters，實際上這個waiters引用的是一個以WaitNode為節點的單向連結串列的頭節點。如圖所示：

waitNode類程式碼如下：

static final class WaitNode {
    volatile Thread thread; //執行緒
    volatile WaitNode next; //下一個節點
    //建構函式獲取當前執行執行緒的引用
    WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}

WaitNode保留執行緒引用的作用是什麼？

答案是用於任務完成後喚醒等待執行緒。當FutureTask執行完callable的run方法後，將執行finishCompletion方法通知所有等待執行緒

private void finishCompletion() {
    //遍歷等待節點
    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
        //將FutureTask的waiters引用置null
        if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) { 
            //喚醒所有等待執行緒
            for (;;) {
                //取出節點對應的執行緒
                Thread t = q.thread;
                if (t != null) {
                    q.thread = null;
                    LockSupport.unpark(t); //喚醒對應執行緒
                }
                //獲取下一個節點
                WaitNode next = q.next;
                if (next == null)
                    break;
                q.next = null; // unlink to help gc
                q = next;
            }
            break;
        }
    }

    //呼叫鉤子函式done，此為空方法，子類可根據需求進行實現
    done();

    callable = null;       
}

執行緒的阻塞方式——park和unPark

　　park/unPark也是用於控制執行緒等待狀態的。我們熟悉的，用於控制執行緒等待狀態的還有wait/notify。wait/notify是某個物件的條件佇列，要阻塞執行緒，或者說要加入等待佇列，必須先獲取物件的鎖。

       與wait()/notify不同的是，park和unpark直接操作執行緒，無需獲取物件的鎖，個人認為這是這裡使用park/unPark，而不是wait/notifyAll的原因，因為獲取鎖需要額外的開銷。

get方法的具體實現

以下是FutureTask中get方法的實現

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    //獲取當前任務狀態
    int s = state;
    //如果是NEW或者COMPLETING，也就是還沒有結束，就呼叫awaitDone進行阻塞
    if (s <= COMPLETING)
        s = awaitDone(false, 0L); //注意，這裡的引數，表示非超時等待，如果任務未結束，程式將一直卡在這裡
    //如果awaitDone返回，也就是任務已經結束，根據任務狀態，返回結果
    return report(s);
}

以下是get方法中呼叫到的awaitDone的實現

private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException {
    //根據超時時間，計算結束時間點
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    //等待節點
    WaitNode q = null;
    //是否加入等待佇列
    boolean queued = false;
    //這裡並不是通過自旋，使方法無法返回。而是利用自旋CAS, 改變狀態。如果成功，一次就夠了
    for (;;) {
        //如果此執行緒被中斷，把從節點從等待佇列中移除
        if (Thread.interrupted()) {
            removeWaiter(q);
            throw new InterruptedException();
        }

        int s = state;
        //如果狀態大於COMPLETING，也就是任務已結束，返回任務狀態
        if (s > COMPLETING) {
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
            Thread.yield();
        //第一次迴圈，q是null，建立節點
        else if (q == null)
            q = new WaitNode();
        //如果還未加入等待佇列，就加入。加入等待佇列的目的是，當任務完成的時候能夠通過控制程式碼及時喚醒正在等待的執行緒。注意：加入佇列的時候，還沒有掛起。
        else if (!queued)
            //q.next = waiters 表示式的返回值 是左側的值，也就是waiters
            //意思是，如果當前物件的waiters的值是waiters, 就將他賦值為q
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                 q.next = waiters, q); 
        //如果是超時等待，則呼叫parkNanos, 執行緒將在指定時間後被喚醒。目的是先掛起執行緒，時間到了再喚醒出來，此時還在for迴圈中，將再次執行符合條件的if塊
        else if (timed) {
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            //程式被喚醒後，通過這裡跳出迴圈
            if (nanos <= 0L) {
                removeWaiter(q);
                return state;
            }
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
        }
        //如果不是超時等待，且已經加入等待佇列，這時候利用park將當前執行緒掛起
        else
            LockSupport.park(this);
    }
}

很多人可能會覺得這個迴圈體，看著有點迷糊，我剛開始也看得頭大。但是我們可以根據幾種情境，來檢視這幾種情境下程式碼的執行情況。

注：第二個for迴圈內，第二個if-else塊是一個大塊，每次只執行一個。

幾種執行情境

一、當前執行緒成功加入等待佇列，且被阻塞，一段時間後任務完成，執行緒被喚醒

 

 

二、當前執行緒加入佇列後，還沒被阻塞，任務就已經完成了

三、因為其他執行緒加入等待佇列的影響，當前執行緒未能加入等待佇列

這裡說明一下，如果其他執行緒在此執行緒之前，比較接近的時間，加入了等待佇列，由於記憶體可見性的原因，當前執行緒看到的waiters值沒有及時改變，故與其實際值不同，CAS操作就將失敗。

為什麼一定要CAS成功？答案是，如果不成功，出現執行緒安全問題，連結串列的結構就會一塌糊塗。這裡不細談。

 

根據任務狀態獲取結果

 　　我們已經知道，FutureTask有一個Object欄位的outcome，也就是任務執行的結果。當任務完成後，會將結果賦值給它。以下是FutureTask的run方法：

public void run() {
    //任務開始執行後，設定FutureTask的runner欄位，指明執行它的執行緒
    if (state != NEW ||!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,null, Thread.currentThread()))
        return;
    try {
        //獲取具體任務
        Callable<V> c = callable;
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran; //任務是否已被執行完
            try {
                //執行任務
                result = c.call();
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
                result = null;
                //如果執行任務過程中出現異常，則ran=false 表示沒有執行完成
                ran = false;
                //設定異常 => 將任務狀態設定為異常，並將異常資訊賦值給outcome, 也就是任務結果
                //這個方法會呼叫finishCompletion
                setException(ex);
            }
            //如果執行完成，把結果賦值給outcome
            if (ran)
                set(result); //這個方法會呼叫finishCompletion
        }
    } finally {
        //既然執行緒已經"完成"當前任務，就放棄引用，防止影響它執行其他任務
        runner = null; 
        //重新獲取任務狀態
        int s = state;
        if (s >= INTERRUPTING)
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}

由前文可知，當任務"完成"的時候，獲取結果的執行緒將被喚醒。回到get方法，它將獲取到任務的狀態，並根據任務狀態獲取結果。也就是report方法：

private V report(int s) throws ExecutionException {
    //獲取結果
    Object x = outcome;
    //如果任務正常完成
    if (s == NORMAL)
        //強制轉換為對應型別並返回
        return (V)x;
    //如果任務狀態為CANCELLED、INTERRUPTING、INTERRUPTED表明是通過cacel方法取消了
    //返回已取消異常
    if (s >= CANCELLED)
        throw new CancellationException();
    //如果是因為異常中斷的話，丟擲具體異常資訊
    throw new ExecutionException((Throwable)x);
}

 

相關文章