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FutureTask源码解析(1):预备知识

Java技术 winrains 来源:ChiuCheng 7个月前 (03-07) 31次浏览

前言

系列文章目录

FutureTask 是一个同步工具类,它实现了Future语义,表示了一种抽象的可生成结果的计算。在包括线程池在内的许多工具类中都会用到,弄懂它的实现将有利于我们更加深入地理解Java异步操作实现。

在分析它的源码之前, 我们需要先了解一些预备知识。本篇我们先来看看FutureTask 中所使用到的接口:RunnableCallableFutureRunnableFuture以及所使用到的工具类ExecutorsUnsafe

FutureTask所使用到的接口

Runnable接口

在前面Thread类源码解读的系列文章中我们说过, 创建线程最重要的是传递一个run()方法, 这个run方法定义了这个线程要做什么事情, 它被抽象成了Runnable接口:

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

但是, 可以发现, 这个方法并没有任何返回值.
如果我们希望执行某种类型的操作并拿到它的执行结果, 该怎么办呢?

从 Runnable 到 Callable

要从某种类型的操作中拿到执行结果, 最简单的方式自然是令这个操作自己返回操作结果, 则相较于run方法返回void,我们可以令一个操作返回特定类型的对象, 这种思路的实现就是Callable接口:

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

对比Callable接口与Runnable接口, 我们可以发现它们最大的不同点在于:

  1. Callable有返回值
  2. Callable可以抛出异常

关于有返回值这点,我们并不意外,因为这就是我们的需求,call方法的返回值类型采用的泛型,该类型是我们在创建Callable对象的时候指定的。

除了有返回值外,相较于Runnable接口,Callable还可以抛出异常,这点看上去好像没啥特别的,但是却有大用处——这意味着如果在任务执行过程中发生了异常,我们可以将它向上抛出给任务的调用者来妥善处理,我们甚至可以利用这个特性来中断一个任务的执行。而Runnable接口的run方法不能抛出异常,只能在方法内部catch住处理,丧失了一定的灵活性。

使用Callable接口解决了返回执行结果的问题, 但是也带来了一个新的问题:

如何获得执行结果?

有的同学可能就要说了, 这还不简单? 直接拿不就好了, 看我的:

public static void main(String[] args) {
    Callable<String> myCallable = () -> "This is the results.";
    try {
        String result = myCallable.call();
        System.out.println("Callable 执行的结果是: " + result);
    } catch (Exception e) {
        System.out.println("There is a exception.");
    }
}

这种方法确实可以, 但是它存在几个问题:

  1. call方法是在当前线程中直接调用的, 无法利用多线程。
  2. call方法可能是一个特别耗时的操作, 这将导致程序停在myCallable.call()调用处, 无法继续运行, 直到call方法返回。
  3. 如果call方法始终不返回, 我们没办法中断它的运行。

因此, 理想的操作应当是, 我们将call方法提交给另外一个线程执行, 并在合适的时候, 判断任务是否完成, 然后获取线程的执行结果或者撤销任务, 这种思路的实现就是Future接口:

Future接口

Future接口被设计用来代表一个异步操作的执行结果。你可以用它来获取一个操作的执行结果、取消一个操作、判断一个操作是否已经完成或者是否被取消

public interface Future<V> {
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
    
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    
    boolean isDone();
}

Future接口一共定义了5个方法:

  • get()
    • 该方法用来获取执行结果, 如果任务还在执行中, 就阻塞等待;
  • get(long timeout, TimeUnit unit)
    • 该方法同get方法类似, 所不同的是, 它最多等待指定的时间, 如果指定时间内任务没有完成, 则会抛出TimeoutException异常;
  • cancel(boolean mayInterruptIfRunning)
    • 该方法用来尝试取消一个任务的执行, 它的返回值是boolean类型, 表示取消操作是否成功.
  • isCancelled()
    • 该方法用于判断任务是否被取消了。如果一个任务在正常执行完成之前被cancel掉了, 则返回true
  • isDone()
    • 如果一个任务已经结束, 则返回true。注意, 这里的任务结束包含了以下三种情况:
      • 任务正常执行完毕
      • 任务抛出了异常
      • 任务已经被取消

关于cancel方法,这里要补充说几点:
首先有以下三种情况之一的,cancel操作一定是失败的:

  1. 任务已经执行完成了
  2. 任务已经被取消过了
  3. 任务因为某种原因不能被取消

其它情况下,cancel操作将返回true。值得注意的是,cancel操作返回true并不代表任务真的就是被取消了,这取决于发动cancel状态时任务所处的状态:

  1. 如果发起cancel时任务还没有开始运行,则随后任务就不会被执行;
  2. 如果发起cancel时任务已经在运行了,则这时就需要看mayInterruptIfRunning参数了:
    • 如果mayInterruptIfRunning 为true, 则当前在执行的任务会被中断
    • 如果mayInterruptIfRunning 为false, 则可以允许正在执行的任务继续运行,直到它执行完

这个cancel方法的规范看起来有点绕,现在不太理解没关系,后面结合实例去看就容易弄明白了,我们将在下一篇分析FutureTask源码的时候详细说说FutureTask对这一方法的实现。

RunnableFuture 接口

RunnableFuture接口人如其名, 就是同时实现了Runnable接口和Future接口:

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run(); 
}

我们下一篇开始分析FutureTask的源码的时候就将看到,FutureTask实现了该接口,也就是相当于它同时实现了Runnable接口和Future接口。

有的同学可能会对这个接口产生疑惑,既然已经继承了Runnable,该接口自然就继承了run方法,为什么要在该接口的内部再写一个run方法?

单纯从理论上来说,这里确实是没有必要的,再多写一遍,我觉得大概就是为了看上去直观一点,便于文档或者UML图展示。

FutureTask所使用到的工具类

Executors

Executors 是一个用于创建线程池的工厂类,关于线程池的概念,我们以后再说。这个类同时也提供了一些有用的静态方法。

前面我们提到了Callable接口,它是JDK1.5才引入的,而Runnable接口在JDK1.0就有了,我们有时候需要将一个已经存在Runnable对象转换成Callable对象,Executors工具类为我们提供了这一实现:

public class Executors {
    /**
     * Returns a {@link Callable} object that, when
     * called, runs the given task and returns the given result.  This
     * can be useful when applying methods requiring a
     * {@code Callable} to an otherwise resultless action.
     * @param task the task to run
     * @param result the result to return
     * @param <T> the type of the result
     * @return a callable object
     * @throws NullPointerException if task null
     */
    public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        return new RunnableAdapter<T>(task, result);
    }
    
    /**
     * 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;
        }
    }
}

可以明显看出来,这个方法采用了设计模式中的适配器模式,将一个Runnable类型对象适配成Callable类型。

因为Runnable接口没有返回值, 所以为了与Callable兼容, 我们额外传入了一个result参数, 使得返回的Callable对象的call方法直接执行Runnable的run方法, 然后返回传入的result参数。

有的同学要说了, 你把result参数传进去, 又原封不动的返回出来, 有什么意义呀?
这样做确实没什么意义, result参数的存在只是为了将一个Runnable类型适配成Callable类型.

Unsafe

Unsafe类对于并发编程来说是个很重要的类,如果你稍微看过J.U.C里的源码(例如我们前面讲AQS系列的文章里),你会发现到处充斥着这个类的方法调用。

这个类的最大的特点在于,它提供了硬件级别的CAS原子操作。

可能有的同学会觉得这并没有什么了不起,CAS的概念都被说烂了。但是,CAS可以说是实现了最轻量级的锁,当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时,只有其中的一个线程能成功地更新变量的值,而其他的线程将失败。然而,失败的线程并不会被挂起。

CAS操作包含了三个操作数: 需要读写的内存位置,进行比较的原值,拟写入的新值。

在Unsafe类中,实现CAS操作的方法是: compareAndSwapXXX

例如:

public native boolean compareAndSwapObject(Object obj, long offset, Object expect, Object update);
  • obj是我们要操作的目标对象
  • offset表示了目标对象中,对应的属性的内存偏移量
  • expect是进行比较的原值
  • update是拟写入的新值。

所以该方法实现了对目标对象obj中的某个成员变量(field)进行CAS操作的功能。

那么,要怎么获得目标field的内存偏移量offset呢? Unsafe类为我们提供了一个方法:

public native long objectFieldOffset(Field field);

该方法的参数是我们要进行CAS操作的field对象,要怎么获得这个field对象呢?最直接的办法就是通过反射了:

Class<?> k = FutureTask.class;
Field stateField = k.getDeclaredField("state");

这样一波下来,我们就能对FutureTask的state属性进行CAS操作了o( ̄▽ ̄)o

除了compareAndSwapObject,Unsafe类还提供了更为具体的对int和long类型的CAS操作:

public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expect, int update);
public native boolean compareAndSwapLong(Object obj, long offset, long expect, long update);

从方法签名可以看出,这里只是把目标field的类型限定成int和long类型,而不是通用的Object.

最后,FutureTask还用到了一个方法:

public native void putOrderedInt(Object obj, long offset, int value);

可以看出,该方法只有三个参数,所以它没有比较再交换的概念,某种程度上就是一个赋值操作,即设置obj对象中offset偏移地址对应的int类型的field的值为指定值。这其实是Unsafe的另一个方法putIntVolatile的有序或者有延迟的版本,并且不保证值的改变被其他线程立即看到,只有在field被volatile修饰并且期望被意外修改的时候使用才有用。

那么putIntVolatile方法的定义是什么呢?

public native void putIntVolatile(Object obj, long offset, int value);

该方法设置obj对象中offset偏移地址对应的整型field的值为指定值,支持volatile store语义。由此可以看出,当操作的int类型field本身已经被volatile修饰时,putOrderedIntputIntVolatile是等价的。

好了,到这里,基本需要用到的预备知识我们都学习完了,障碍已经扫清,下一篇我们就可以愉快地看FutureTask的源码了(๑¯∀¯๑)

作者:ChiuCheng

来源:https://segmentfault.com/a/1190000016542779


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