FutureTask 原理剖析

原创
10/28 21:40
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编者注:FutureTask用于在异步操作场景中,FutureTask作为生产者(执行FutureTask的线程)和消费者(获取FutureTask结果的线程)的桥梁,如果生产者先生产出了数据,那么消费者get时能会直接拿到结果;如果生产者还未产生数据,那么get时会一直阻塞或者超时阻塞,一直到生产者产生数据唤醒阻塞的消费者为止。话不多说,下来开始FutureTask的分析~

Future接口和实现Future接口的FutureTask,代表异步计算的结果,Future使用示例如下:

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(510,
        60, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>());

Future future = executor.submit(() -> {
    System.out.println("hello world");
    return "hello world";
});
System.out.println(future.get());

Future接口声明如下:

FutureTask除了实现Future接口外,还实现了Runnable接口。因此,FutureTask可以交给Executor执行,也可以由调用线程直接执行(FutureTask.run())。根据FutureTask.run()方法被执行的时机,FutureTask可以处于以下3种状态:未启动、运行中、已完成

当FutureTask处于未启动或已启动状态时,执行FutureTask.get()方法将导致调用线程阻塞;当FutureTask处于已完成状态时,执行FutureTask.get()方法将导致调用线程立即返回结果或抛出异常。

  • 当FutureTask处于未启动状态时,执行FutureTask.cancel()方法将导致此任务永远不会被执行;

  • 当FutureTask处于已启动状态时,执行FutureTask.cancel(true)方法将以中断执行此任务线程的方式来试图停止任务;

  • 当FutureTask处于已启动状态时,执行FutureTask.cancel(false)方法将不会对正在执行此任务的线程产生影响(让正在执行的任务运行完成);

  • 当FutureTask处于已完成状态时,执行FutureTask.cancel(…)方法将返回false。

FutureTask的生命周期如下:

Future.get() 阻塞/唤醒原理

执行future.get()时,如果对应线程还未执行完,则会阻塞当前线程,以FutureTask为例,FutureTask中有一个int型的状态标志,表示future对应线程的运行状态。

/**
 * Possible state transitions:
 * 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;

当调用FutureTask.get()时,如果Future对应的任务已完成(正常执行完成或者抛出异常),执行返回;如果Future对应的任务未执行完成,则会将当前线程封装成一个NodeWait,以CAS方式添加到FutureTask.waiters链表上(单向链表,新节点都会作为head node添加上),然后会阻塞当前线程(包括超时阻塞)。

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING) // 线程未执行完成
        s = awaitDone(false0L);
    return report(s);
}

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;
        if (s > COMPLETING) { // 线程已运行完成
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
            Thread.yield(); // future task已完成,正在赋值outcome,get()返回的值就是outcome,这时不用加入WaitNode即可
        else if (q == null)
            q = new WaitNode(); // 生成WaitNode
        else if (!queued)
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                 q.next = waiters, q);
        else if (timed) {
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            if (nanos <= 0L) {
                removeWaiter(q);
                return state;
            }
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
        }
        else
            LockSupport.park(this);
    }
}

private V report(int s) throws ExecutionException {
    Object x = outcome;
    if (s == NORMAL) // 正常执行结束
        return (V)x;
    if (s >= CANCELLED) // 已取消
        throw new CancellationException();
    throw new ExecutionException((Throwable)x); // 抛出异常
}

在任务执行(run()方法)中,调用result = callable.call方法,正常执行完毕后调用set(result)设置Future结果;出现异常则调用setException(ex)。最后会调用finishCompletion()来唤醒阻塞在Future的所有线程。

设置完数据之后(不管是正常数据还是对应异常),当等待数据的线程来get时,就会返回或者直接给它抛异常;如果当线程已经get过并阻塞在这里时,FutureTask需要将这些线程唤醒起来。

public void run() {
    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;
                setException(ex);
            }
            if (ran)
                set(result);
        }
    } finally {
        // 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)
            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();
    }
}

// 唤醒所有等待线程
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
}

小结

FutureTask中的waiters是一个单向链表,如果多个线程阻塞在该Future上,最新阻塞的线程排列在链表前面,唤醒线程时依次从前到后遍历链表唤醒线程,这样处理貌似对最开始阻塞在Future上的线程不太公平哈,因为最开始阻塞的线程是到最后才被唤醒的


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