乾貨｜Java Concurrent -- FutureTask 原始碼分析

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▍作者簡介

黃宇是從事java開發的開源軟體的愛好者。近些年致力於高併發、分散式大資料方向的研發工作。這篇文章主要講解了java concurrent包中future模式的原理和使用，相信大家能夠從中收到啟發。

在多執行緒執行時，對於需要有返回值的場景，常常使用Callable和Future的方式來進行，常見的一種使用方式如下：

 執行上面的程式碼，在控制檯種等待三秒鐘之後列印出結果。程式碼非常簡單，但是有幾個問題需要弄清楚：

  1. 執行緒池是如何呼叫到Callable的call，結果是如何返回的。
  2. Future.get方法是如何阻塞住當前執行緒的

  3. 當Callable執行完是如何通知到阻塞在Future上面的執行緒的
  下面我們開始分析原始碼解答上述問題（原始碼基於jdk1.8）。

  首先從ExecutorService的submit(Callable )方法開始，此方法對應的實現類是ThreadPoolExecutor， 程式碼如下：

newTaskFor方法就是將callable轉換成了FutureTask，FutrueTask也繼承了RunnableFuture，獲取到RunnableFuture後，呼叫了execute(ftask) ,我們繼續向下跟程式碼

 圖片中的英文註釋已經說的比較清楚，我這裡在詳細說一下，第一行：

   int c = ctl.get(), 其中ctl是一個AtomicInteger，每當向執行緒池放入一個callable或者runnable，這個clt就+1，int c 獲取到的就是當前執行緒池目前的任務數量，

   情況1：如果c 小於當前執行緒池維護最小的工作執行緒（CorePoolSize）時，那麼執行緒池就嘗試開啟一個工作執行緒來執行傳入的callable，也就是下面執行的addWorker(command,true), 此方法會自動檢查runState和workerCount，從而防止將新增的錯誤。

   情況2：如果c大於等於CorePoolSize時，要判斷當前執行緒池是否正在執行，其次判斷callable是否可以加入佇列（有可能加入不成功，例如使用了有界佇列，佇列可能滿了），如果以上條件都滿足，那麼再次通過ctl獲取一次數量，做二次檢查，按照官方註釋，寫的是有可能在做完第一次檢查後，當前執行緒池掛了，或者其他錯誤，那麼此時需要做回滾，也就是if中的remove（command），從佇列中刪除剛才放入的callable，然後在呼叫reject拒絕此任務，如果二次檢查也沒有問題，再呼叫addWorker（null，false），我們發現引數和情況1不同，任務為null，意思是不要為當前任務分配工作執行緒（因為任務已經加入佇列了，不需要立刻執行），false表示判斷當前執行緒池工作執行緒的數量是否超過了maxPoolsize，有興趣的同學，可以仔細研究下addWorker方法的原始碼。

   情況3：如果呼叫addWorker返回false，說明當前執行緒池的工作執行緒數量超過了maxpoolSize了，那麼新的任務需要拒絕（ps：上面描述的內容需要讀者對執行緒池中，任務、工作執行緒、corePoolsize、maxPoolsize以及任務佇列都熟悉才能理解）

   根據上述分析，觸發callable執行的程式碼在addWorker中，程式碼如下（addWorker的程式碼較長，我們看關鍵的部分）：

  紅框部分就是觸發執行callbale執行的地方，圖片中第一行，firsttask就是我們上面建立的FutureTask，被Worker包裝了一下，在獲取Thread t，t的start方法就會觸發FutureTask的run方法。我們再進入FutureTask的run方法，程式碼如下：

 具體呼叫callable的方法就在result = c.call(), 至此上面的問題1已經解答了，callable是在何時呼叫的，執行結果賦值給FutureTask的result變數。

   我們再看問題2，當呼叫FutureTask的get方法，如何阻塞呼叫執行緒的。在get方法中，如果判斷當前直接沒有結束，那麼就呼叫awaitDone方法，程式碼如下：

 awaitDone程式碼如下：

方法有些複雜，從第一行看起，deadline 經過計算 = 0，因為timed為false，向下看，之所以有for(;;)無線迴圈，因為下面用到了cas，需要自旋執行最終成功。進入迴圈體，首先判斷當前呼叫get方法的執行緒是否被interrupt，如果被interrupt，那麼直接返回不會阻塞，後面的幾個if基本都是判斷狀態，如果當前FutureTask已經結束，那麼就直接返回，不阻塞，然後初始化了WaitNode,當程式碼執行到紅色框部分，說明當前futureTask沒有執行完成，那麼需要把上面初始化的WaitNode加入到佇列，所謂的佇列就是AQS（AbstractQueuedSynchronizer）, AQS底層維護了一個雙向連結串列，當多執行緒呼叫FutureTask的get方法時，多個執行緒就會被加入到這個連結串列，但是加入佇列的過程需要鎖的控制，這裡的控制就是CAS，多個執行緒同時呼叫get方法時，當執行到這個紅色框部分，每次只有一個執行緒可以加入連結串列成功，由於外層由for(;;)，所以失敗的執行緒會再次執行，然後又有一個執行緒執行成功，以此類推，所有的執行緒都會執行成功，加入佇列。在向下看，由於我們呼叫的get方法，是沒有時間限制的，所有timed=false，所以不會進入綠色框的程式碼塊，對於加入佇列成功的執行緒，只是當前執行緒物件加入佇列，但是執行緒還在執行，此時queued=true，那麼下次迴圈就會進入到藍色框部分，LockSupport.park()，這個方法是阻塞,這個方法和wait()/notify()/notifyAll()很類似，但是wait之後，如果想喚醒指定的執行緒無法實現，只能notifyAll，不是很智慧，LockSupport.park(thread)方法需要傳入一個Thread，也就是阻塞的執行緒，在呼叫LockSupport.unPark(thread),傳入的thread只要和park的thread相同，就可以喚醒指定的執行緒。

   通過上面的描述，我們知道了，在get方法中，主要是通過park方法進行阻塞的，那是再哪裡喚醒阻塞的執行緒的呢？其實上面也有提過，是再run方法中，因為run方法是呼叫callable.call的地方，callable執行成功後，會把值付給result變數，然後再呼叫set方法，在set方法中會呼叫finishCompletion,然後此方法再呼叫LockSupport.unpark()程式碼如下：

finishCompletion程式碼如下

 從第一行開始分析，迭代waiters，waiters是上面說到的AQS對應的雙向連結串列的頭結點，需要把整個waiters對應的連結串列的執行緒全部喚醒。在迴圈體中，呼叫了SupportLock的unpark方法。

   至此，FutureTask的大致過程已經分析完成，其中有些細節，筆者也沒有了解特別深入，希望讀者可以留言共同探討。