在程序中,主线程启动一个子线程进行异步计算,主线程是不阻塞继续执行的,这点看起来是非常自然的,都已经选择启动子线程去异步执行了,主线程如果是阻塞的话,那还不如主线程自己去执行不就好了。那会不会有一种场景,异步线程执行的结果主线程是需要使用的,或者说主线程先做一些工作,然后需要确认子线程执行情况来进行后续的操作。那么这里就需要子线程异步执行完任务能把结果告诉主线程,并且主线程还能访问到子线程执行任务的状态,比如是否执行完成或正在执行中。
Future就是上面概念的抽象,按照源码中的注释,它代表着一个异步计算的结果,提供的方法中可以通过 get
方法获取异步线程计算的结果,如果计算还没结束,就会阻塞等待返回成功;也可以通过 cancel
方法取消异步计算任务;还可以通过 isCancelled
和 isDone
获得异步执行的状态;如果一个异步执行的内容并没有返回值,但是希望可以使用Future来获得取消异步计算任务的能力,可以返回null。
FutureTask提供了对Future的基础实现,在进入FutureTask源码之前,我们先考虑下如果要实现Future的功能可以怎么设计呢?
1,异步线程进入执行任务的时候,主线程先阻塞住,等到一步线程任务完成有返回结果了,唤醒主线程,把返回结果给它。
2,需要有个标记,记录异步线程有没有执行结束,异步线程任务执行一结束,这个标记就要变更,通过这个标记就可以知道执行状态。
3,能获取异步线程,在执行还没完成先,对异步线程可以中断,这样就可以取消异步线程执行的任务了。
4,异步线程执行和取消操作是有并发竞争的,所以应该对标记的更新做锁保护处理。
对照Future的API,大致能想到这些,实际还有大量关键细节组合才能实现。可以带这个实现思路进入源码的学习。
Task
FutureTask本身就是继承Runnable,Runnable的run方法是没有返回参数的。那么既然FutureTask需要把异步线程执行结果返回,就意味着需要把结果拿到记录。
构造函数
public FutureTask(Callable<V> callable) { if (callable == null) throw new NullPointerException(); this.callable = callable; this.state = NEW; // ensure visibility of callable } public FutureTask(Runnable runnable, V result) { this.callable = Executors.callable(runnable, result); this.state = NEW; // ensure visibility of callable }
当构造函数传的是Runnable的时候,会适配成Callable,所以对于自己的 run
方法需要返回结果的事那么就好办了,就是调用 callable
的run方法就行。我们再衍生开去看下 Executors.callable(runnable, result);
的实现。
public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) { if (task == null) throw new NullPointerException(); return new RunnableAdapter<T>(task, 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; } }
这个适配没什么特殊,把一个result引用作为参数传入,然后作为结果返回。所以其实很少用这种方式来获取result,更多的是传一个null进来,因为更多的时候是想知道异步线程是否执行结束了,而不是要结果。
run方法
FutureTask既然本身就是Runnable,把它作为task提交给线程池执行,就是调用它的run方法。根据前面的分析,这个run方法需要调用内部属性callable的run获得result,然后保存result,以备get方法来获取的时候能直接返回,另外肯定也是要处理异常的场景。
以下是run方法的源码,再加上仔细关注一下状态的流转,就可以比较好的理解这个核心代码了。
public void run() { // 【1】 if (state != NEW || !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread())) return; try { Callable<V> c = callable; if (c != null && state == NEW) { V result; boolean ran; try { result = c.call(); ran = true; } catch (Throwable ex) { result = null; ran = false; // 【2】 setException(ex); } if (ran) // 【3】 set(result); } } finally { //【4】 // runner must be non-null until state is settled to // prevent concurrent calls to run() runner = null; // state must be re-read after nulling runner to prevent // leaked interrupts int s = state; if (s >= INTERRUPTING) //【5】 handlePossibleCancellationInterrupt(s); } } protected void set(V v) { if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { outcome = v; UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state finishCompletion(); } } protected void setException(Throwable t) { if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { outcome = t; UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state finishCompletion(); } } private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) { if (s == INTERRUPTING) while (state == INTERRUPTING) Thread.yield(); // wait out pending interrupt }
NEW
,初始化FutureTask的时候设置的NEW状态,如果不是 NEW
状态,就退出run方法;并且CAS设置 runner
字段为当前执行线程,设置失败表示已经设置过,就退出run方法。根据状态和CAS设置 runner
字段判断,确保了FutureTask实例同时只能有一个一个线程在执行。setException
操作,先把状态从 NEW
设置成 COMPLETING
,设置成功后把outcome字段设置成异常结果,然后将状态设置成 EXCEPTIONAL
。 finishCompletion
方法在状态进入终态(final state)的时候都会被调用,他会唤醒等待的线程节点,是流程中的关键一环,在后续中详细分析。set
操作,老规矩,先把状态从 NEW
设置成 COMPLIETING
,设置成功后把outcome字段设置成返回结果result,以备等待线程来获取,然后把状态设置成 NORMAL
。 NORMAL
作为终态,也会调用 finishCompletion
方法。cancel
方法分析,cancel方法中执行的顺序是先将state修改成 INTERRUPTING
成功后再使用runner,这里就保证了先设置runner为null后再获取state的最新值。INTERRUPTING
下变成 INTERRUPTED
。也就是说当 cancel
方法把state改成 INTERRUPTING
后,run方法就会等待 cancel
方法执行结束后自己才执行结束。直到网上找到了这篇文章 why outcome object in FutureTask is non-volatile?
这里有个很巧妙的设计,就是利用java的happends before中的传递原则,使得在不使用锁的情况下,保证其他线程读到 state=NORMAL
时,该线程一定能读到outcome的最新值
Task State
前面提到需要一个标记来记录任务的执行状态,源码实现中有一个 volatile
修饰的 int
类型state字段(和AQS一样的配方的感觉来了)。
/** * NEW -> COMPLETING -> NORMAL * NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL * NEW -> CANCELLED * NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED **/ private volatile int state; private static final int NEW = 0; private static final int COMPLETING = 1; private static final int NORMAL = 2; private static final int EXCEPTIONAL = 3; private static final int CANCELLED = 4; private static final int INTERRUPTING = 5; private static final int INTERRUPTED = 6;
注释提供了全部状态流转路径,核心逻辑就是一步步变更状态来进行的。
Treiber Stack
我们需要了解清楚这个Treiber Stack的概念,因为这在JUC源码很多地方有使用,有助于我们理解JUC其他组件代码的实现。
对于一个栈,我们并发往栈里放节点的时候如何处理竞争呢?比较简单的方式就是使用锁,放的时候锁,取的时候锁。
有个大佬他不想用锁,而是利用CAS并发原语设计了一个无锁堆栈,并发表了论文,他名字就叫Treiber,这个就是 Treiber Stack
的由来。在FutureTask的源码注释中专门提到,很多JDK源码中都用到了类似这种引用,表达这个实现是有坚实理论依据的,有一种做学术的专业氛围。
直接看《Java Concurrency in Practice》中提供的实现代码:
public class TreiberStack <E> { AtomicReference<Node<E>> top = new AtomicReference<Node<E>>(); public void push(E item) { Node<E> newHead = new Node<E>(item); Node<E> oldHead; do { oldHead = top.get(); newHead.next = oldHead; } while (!top.compareAndSet(oldHead, newHead)); } public E pop() { Node<E> oldHead; Node<E> newHead; do { oldHead = top.get(); if (oldHead == null) return null; newHead = oldHead.next; } while (!top.compareAndSet(oldHead, newHead)); return oldHead.item; } private static class Node <E> { public final E item; public Node<E> next; public Node(E item) { this.item = item; } } }
这个队列在入队和出队的时候都没有进行锁操作,而是CAS设置头节点是否成功,如果设置成功表示头节点没有被修改过,就没有竞争发生,直接设置头节点,如果CAS设置失败表示有竞争发生,则字段继续,知道设置头节点成功。
其实只要记住一点,操作这个数据结构的入口集中在头节点上,原子操作头节点保证不会发生并发引起的读写数据异常的问题。
下面看一下FutureTask是如何定义这个链表节点的:
WaitNode
使用WaitNode来表示链表节点,内部有记录阻塞等待的线程和下一个节点的引用。
static final class WaitNode { volatile Thread thread; volatile WaitNode next; WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); } }
以下是FutureTask中实现的Treiber Stack结构图:
get方法
前面已经提过,get方法是阻塞线程等待的,怎么阻塞的?多个线程都调用get方法阻塞的时候如何维护这些线程?带着这两问题继续阅读源码。
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException { int s = state; if (s <= COMPLETING) s = awaitDone(false, 0L); return report(s); } public V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException { if (unit == null) throw new NullPointerException(); int s = state; if (s <= COMPLETING && (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING) throw new TimeoutException(); return report(s); }
awaitDone
方法,是终态时调用 report
方法。对于有超时时间需求的情况,在到达超时时间时 awaitDone
方法就会返回state结果,如果还不是终态就抛出TimeoutException。awaitDone
这个方法里实现了如果异步线程还未执行结束的时候,来调用get方法阻塞等待的能力。
private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException { final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; WaitNode q = null; boolean queued = false; for (;;) { if (Thread.interrupted()) { removeWaiter(q); throw new InterruptedException(); } int s = state; // 【1】 if (s > COMPLETING) { if (q != null) q.thread = null; return s; } else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet Thread.yield(); // 【2】 else if (q == null) q = new WaitNode(); else if (!queued) queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q.next = waiters, q); // 【3】 else if (timed) { nanos = deadline - System.nanoTime(); if (nanos <= 0L) { removeWaiter(q); return state; } LockSupport.parkNanos(this, nanos); } else LockSupport.park(this); } }
COMPLETING
,执行全部结束,是可以拿到结果了的,就直接返回状态,如果自己线程的节点已经产生,需要把节点中的线程设置为null,注意这里并没有执行删除节点的操作。如果刚好处于 COMPLETING
状态,说明计算已经结束,正在进行结果或执行异常的设置,这个操作非常快,那就再等等(Thread.yield())。另外,这里可以想象 COMPLETING
状态是一个非常短暂的状态,所以是放在后面判断的,一般代码都以主意这种细节。new WaitNode()
初始化一个节点,然后再下次循环的时候放入链表,放入的方式就是CAS比对头节点( waiters
)是否变化设置。LockSupport.park
方法阻塞线程,有阻塞就会有唤醒,正常唤醒线程的时候就是计算结束的时候,那么就会执行【1】的逻辑,退出循环;异常的唤醒有可能是线程发生中断,前面代码中对线程中断标记的处理,会移除节点(removeWaiter)并抛出异常。另外,超时情况发生的时候,也会移除节点。finishCompletion
这个方法在任务执行结束或取消的时候执行,前面提到过的其中执行结束的两种情况是正常执行结束和异常结束。它需要把等待的节点中的线程全部唤醒,在了解了链表结构后,我们看一下这个唤醒操作的代码:
private void finishCompletion() { // assert state > COMPLETING; for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) { if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) { for (;;) { Thread t = q.thread; if (t != null) { q.thread = null; LockSupport.unpark(t); } WaitNode next = q.next; if (next == null) break; q.next = null; // unlink to help gc q = next; } break; } } done(); callable = null; // to reduce footprint }
遍历节点前会先用CAS的方式将头设置成null,成功设置才能继续,所以这里有两个for循环,第二个for循环是遍历链表,找出Thread不为空的节点,用 LockSupport.unpark
唤醒,被唤醒的线程会从 awaitDone
的 park
处醒来继续执行。
其中留了一个 done()
方法提供给子类扩展,很多字类实现了这个扩展,比如说guava的 ListenableFutureTask
。
removeWaiter
在 awaitDone
方法中的循环中,判断出线程有中断标记的时候会执行 removeWaiter
,还有就是get超时也会触发。
private void removeWaiter(WaitNode node) { if (node != null) { node.thread = null; retry: for (;;) { // restart on removeWaiter race for (WaitNode pred = null, q = waiters, s; q != null; q = s) { s = q.next; if (q.thread != null) pred = q; else if (pred != null) { pred.next = s; if (pred.thread == null) // check for race continue retry; } else if (!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, s)) continue retry; } break; } } }
一个链表中并发删除随机节点自然会有冲突问题,比如同时删除的节点为相邻节点,前面的节点的next可能只想null导致链表断裂。那么这里是如何避免这种问题的呢?
首先,这个方法进入的时候第一步就会把节点的thread设置为null,实际这个操作是可以作为当前线程正在删除这个节点的标记,其他线程只要判断节点是否为null就可以推算出可能有线程正在删除这个节点。
其次,每个节点都会先判断thread是否为空,不为空则会设置给pred,也就是说pred只要有节点这个节点在从节点移除前thread都是不为空的,如果判断出节点的thread为空,那么就跳过判断进入下一个节点的判断,那么这个节点就自然链表中移除了,因为上一个节点的next会指向到thread不为空的下一个节点( pred.next = s
)。当next指向后,会再判断pred的thread是否为空,如果是为空就表示可能有线程并发操作,这里就直接从头循环链表。
最后,前两个判断都不成立的情况只有一种那就是头节点的thread为空的情况,此时就要用cas的方式来处理如果设置失败,和前面操作链表一样自旋即可。
cancel
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) { // 【1】 if (!(state == NEW && UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED))) return false; // 【2】 try { // in case call to interrupt throws exception if (mayInterruptIfRunning) { try { Thread t = runner; if (t != null) t.interrupt(); } finally { // final state UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED); } } } finally { //【3】 finishCompletion(); } return true; }
【1】第一个判断就是要求状态必须是NEW,如果任务已经开始执行,那么直接就返回false。如果调用cancel方法时状态是NEW,那么直接对这个状态进行CAS修改,如果传参值mayInterruptIfRunning未true,那么状态先改成INTERRUPTING,然后改成INTERRUPTED;如果传参值是true,状态修改为CANCELLED,直接进入终态。这一步修改动作也可能失败,失败意味着装已经从刚刚的NEW发生了变化,那么就不能在进行cancel操作了,直接返回false。
【2】上面的代码执行成功,意味这状态成功从NEW改成了INTERRUPTING或CANCELLED。
【3】无论是INTERRUPTED还是CANCELLED的结果,都会执行finishCompletion方法,该方法前面已详细解析。