【高併發】深入解析Callable介面

冰河發表於2022-02-16

大家好，我是冰河~~

本文純乾貨，從原始碼角度深入解析Callable介面，希望大家踏下心來，開啟你的IDE，跟著文章看原始碼，相信你一定收穫不小。

1.Callable介面介紹

Callable介面是JDK1.5新增的泛型介面，在JDK1.8中，被宣告為函式式介面，如下所示。

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

在JDK 1.8中只宣告有一個方法的介面為函式式介面，函式式介面可以使用@FunctionalInterface註解修飾，也可以不使用@FunctionalInterface註解修飾。只要一個介面中只包含有一個方法，那麼，這個介面就是函式式介面。

在JDK中，實現Callable介面的子類如下圖所示。

預設的子類層級關係圖看不清，這裡，可以通過IDEA右鍵Callable介面，選擇“Layout”來指定Callable介面的實現類圖的不同結構，如下所示。

這裡，可以選擇“Organic Layout”選項，選擇後的Callable介面的子類的結構如下圖所示。

在實現Callable介面的子類中，有幾個比較重要的類，如下圖所示。

分別是：Executors類中的靜態內部類：PrivilegedCallable、PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader、RunnableAdapter和Task類下的TaskCallable。

2.實現Callable介面的重要類分析

接下來，分析的類主要有：PrivilegedCallable、PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader、RunnableAdapter和Task類下的TaskCallable。雖然這些類在實際工作中很少被直接用到，但是作為一名合格的開發工程師，設定是禿頂的資深專家來說，瞭解並掌握這些類的實現有助你進一步理解Callable介面，並提高專業技能（頭髮再掉一批，哇哈哈哈。。。）。

  • PrivilegedCallable

PrivilegedCallable類是Callable介面的一個特殊實現類，它表明Callable物件有某種特權來訪問系統的某種資源，PrivilegedCallable類的原始碼如下所示。

/**
 * A callable that runs under established access control settings
 */
static final class PrivilegedCallable<T> implements Callable<T> {
	private final Callable<T> task;
	private final AccessControlContext acc;

	PrivilegedCallable(Callable<T> task) {
		this.task = task;
		this.acc = AccessController.getContext();
	}

	public T call() throws Exception {
		try {
			return AccessController.doPrivileged(
				new PrivilegedExceptionAction<T>() {
					public T run() throws Exception {
						return task.call();
					}
				}, acc);
		} catch (PrivilegedActionException e) {
			throw e.getException();
		}
	}
}

從PrivilegedCallable類的原始碼來看，可以將PrivilegedCallable看成是對Callable介面的封裝，並且這個類也繼承了Callable介面。

在PrivilegedCallable類中有兩個成員變數，分別是Callable介面的例項物件和AccessControlContext類的例項物件，如下所示。

private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;

其中，AccessControlContext類可以理解為一個具有系統資源訪問決策的上下文類，通過這個類可以訪問系統的特定資源。通過類的構造方法可以看出，在例項化AccessControlContext類的物件時，只需要傳遞Callable介面子類的物件即可，如下所示。

PrivilegedCallable(Callable<T> task) {
	this.task = task;
	this.acc = AccessController.getContext();
}

AccessControlContext類的物件是通過AccessController類的getContext()方法獲取的，這裡，檢視AccessController類的getContext()方法，如下所示。

public static AccessControlContext getContext(){
	AccessControlContext acc = getStackAccessControlContext();
	if (acc == null) {
		return new AccessControlContext(null, true);
	} else {
		return acc.optimize();
	}
}

通過AccessController的getContext()方法可以看出，首先通過getStackAccessControlContext()方法來獲取AccessControlContext物件例項。如果獲取的AccessControlContext物件例項為空，則通過呼叫AccessControlContext類的構造方法例項化，否則，呼叫AccessControlContext物件例項的optimize()方法返回AccessControlContext物件例項。

這裡，我們先看下getStackAccessControlContext()方法是個什麼鬼。

private static native AccessControlContext getStackAccessControlContext();

原來是個本地方法，方法的字面意思就是獲取能夠訪問系統棧的決策上下文物件。

接下來，我們回到PrivilegedCallable類的call()方法，如下所示。

public T call() throws Exception {
	try {
		return AccessController.doPrivileged(
			new PrivilegedExceptionAction<T>() {
				public T run() throws Exception {
					return task.call();
				}
			}, acc);
	} catch (PrivilegedActionException e) {
		throw e.getException();
	}
}

通過呼叫AccessController.doPrivileged()方法，傳遞PrivilegedExceptionAction。介面物件和AccessControlContext物件，並最終返回泛型的例項物件。

首先，看下AccessController.doPrivileged()方法，如下所示。

@CallerSensitive
public static native <T> T
    doPrivileged(PrivilegedExceptionAction<T> action,
                 AccessControlContext context)
    throws PrivilegedActionException;

可以看到，又是一個本地方法。也就是說，最終的執行情況是將PrivilegedExceptionAction介面物件和AccessControlContext物件例項傳遞給這個本地方法執行。並且在PrivilegedExceptionAction介面物件的run()方法中呼叫Callable介面的call()方法來執行最終的業務邏輯，並且返回泛型物件。

  • PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader

此類表示為在已經建立的特定訪問控制和當前的類載入器下執行的Callable類，原始碼如下所示。

/**
 * A callable that runs under established access control settings and
 * current ClassLoader
 */
static final class PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader<T> implements Callable<T> {
	private final Callable<T> task;
	private final AccessControlContext acc;
	private final ClassLoader ccl;

	PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader(Callable<T> task) {
		SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
		if (sm != null) {
			sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
			sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
		}
		this.task = task;
		this.acc = AccessController.getContext();
		this.ccl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
	}

	public T call() throws Exception {
		try {
			return AccessController.doPrivileged(
				new PrivilegedExceptionAction<T>() {
					public T run() throws Exception {
						Thread t = Thread.currentThread();
						ClassLoader cl = t.getContextClassLoader();
						if (ccl == cl) {
							return task.call();
						} else {
							t.setContextClassLoader(ccl);
							try {
								return task.call();
							} finally {
								t.setContextClassLoader(cl);
							}
						}
					}
				}, acc);
		} catch (PrivilegedActionException e) {
			throw e.getException();
		}
	}
}

這個類理解起來比較簡單，首先，在類中定義了三個成員變數，如下所示。

private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;
private final ClassLoader ccl;

接下來，通過構造方法注入Callable物件，在構造方法中，首先獲取系統安全管理器物件例項，通過系統安全管理器物件例項檢查是否具有獲取ClassLoader和設定ContextClassLoader的許可權。並在構造方法中為三個成員變數賦值，如下所示。

PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader(Callable<T> task) {
	SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
	if (sm != null) {
		sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
		sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
	}
	this.task = task;
	this.acc = AccessController.getContext();
	this.ccl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
}

接下來，通過呼叫call()方法來執行具體的業務邏輯，如下所示。

public T call() throws Exception {
	try {
		return AccessController.doPrivileged(
			new PrivilegedExceptionAction<T>() {
				public T run() throws Exception {
					Thread t = Thread.currentThread();
					ClassLoader cl = t.getContextClassLoader();
					if (ccl == cl) {
						return task.call();
					} else {
						t.setContextClassLoader(ccl);
						try {
							return task.call();
						} finally {
							t.setContextClassLoader(cl);
						}
					}
				}
			}, acc);
	} catch (PrivilegedActionException e) {
		throw e.getException();
	}
}

在call()方法中同樣是通過呼叫AccessController類的本地方法doPrivileged，傳遞PrivilegedExceptionAction介面的例項物件和AccessControlContext類的物件例項。

具體執行邏輯為：在PrivilegedExceptionAction物件的run()方法中獲取當前執行緒的ContextClassLoader物件，如果在構造方法中獲取的ClassLoader物件與此處的ContextClassLoader物件是同一個物件（不止物件例項相同，而且記憶體地址也相同），則直接呼叫Callable物件的call()方法返回結果。否則，將PrivilegedExceptionAction物件的run()方法中的當前執行緒的ContextClassLoader設定為在構造方法中獲取的類載入器物件，接下來，再呼叫Callable物件的call()方法返回結果。最終將當前執行緒的ContextClassLoader重置為之前的ContextClassLoader。

  • RunnableAdapter

RunnableAdapter類比較簡單，給定執行的任務和結果，執行給定的任務並返回給定的結果，原始碼如下所示。

/**
 * A callable that runs given task and returns given result
 */
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;
	}
}
  • TaskCallable

TaskCallable類是javafx.concurrent.Task類的靜態內部類，TaskCallable類主要是實現了Callable介面並且被定義為FutureTask的類，並且在這個類中允許我們攔截call()方法來更新task任務的狀態。原始碼如下所示。

private static final class TaskCallable<V> implements Callable<V> {

	private Task<V> task;
	private TaskCallable() { }

	@Override 
	public V call() throws Exception {
		task.started = true;
		task.runLater(() -> {
			task.setState(State.SCHEDULED);
			task.setState(State.RUNNING);
		});
		try {
			final V result = task.call();
			if (!task.isCancelled()) {
				task.runLater(() -> {
					task.updateValue(result);
					task.setState(State.SUCCEEDED);
				});
				return result;
			} else {
				return null;
			}
		} catch (final Throwable th) {
			task.runLater(() -> {
				task._setException(th);
				task.setState(State.FAILED);
			});
			if (th instanceof Exception) {
				throw (Exception) th;
			} else {
				throw new Exception(th);
			}
		}
	}
}

從TaskCallable類的原始碼可以看出，只定義了一個Task型別的成員變數。下面主要分析TaskCallable類的call()方法。

當程式的執行進入到call()方法時，首先將task物件的started屬性設定為true，表示任務已經開始，並且將任務的狀態依次設定為State.SCHEDULED和State.RUNNING，依次觸發任務的排程事件和執行事件。如下所示。

task.started = true;
task.runLater(() -> {
	task.setState(State.SCHEDULED);
	task.setState(State.RUNNING);
});

接下來，在try程式碼塊中執行Task物件的call()方法，返回泛型物件。如果任務沒有被取消，則更新任務的快取，將呼叫call()方法返回的泛型物件繫結到Task物件中的ObjectProperty物件中，其中，ObjectProperty在Task類中的定義如下。

private final ObjectProperty<V> value = new SimpleObjectProperty<>(this, "value");

接下來，將任務的狀態設定為成功狀態。如下所示。

try {
	final V result = task.call();
	if (!task.isCancelled()) {
		task.runLater(() -> {
			task.updateValue(result);
			task.setState(State.SUCCEEDED);
		});
		return result;
	} else {
		return null;
	}
}

如果程式丟擲了異常或者錯誤，會進入catch()程式碼塊，設定Task物件的Exception資訊並將狀態設定為State.FAILED，也就是將任務標記為失敗。接下來，判斷異常或錯誤的型別，如果是Exception型別的異常，則直接強轉為Exception型別的異常並丟擲。否則，將異常或者錯誤封裝為Exception物件並丟擲，如下所示。

catch (final Throwable th) {
	task.runLater(() -> {
		task._setException(th);
		task.setState(State.FAILED);
	});
	if (th instanceof Exception) {
		throw (Exception) th;
	} else {
		throw new Exception(th);
	}
}

記住：你比別人強的地方，不是你做過多少年的CRUD工作，而是你比別人掌握了更多深入的技能。不要總停留在CRUD的表面工作，理解並掌握底層原理並熟悉原始碼實現，並形成自己的抽象思維能力，做到靈活運用，才是你突破瓶頸，脫穎而出的重要方向！

最後，作為一名合格（髮際線比較高）的開發人員或者資深（禿頂）的工程師和架構師來說，理解原理和掌握原始碼，並形成自己的抽象思維能力，靈活運用是你必須掌握的技能。

好了，今天就到這兒吧，我是冰河，我們下期見~~

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