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Java异步之《我call(),Future在哪里》

开发技术 开发技术 3天前 11次浏览

我们大家都知道,在 Java 中创建线程主要有三种方式:

  • 继承 Thread 类;
  • 实现 Runnable 接口;
  • 实现 Callable 接口。

而后两者的区别在于 Callable 接口中的 call() 方法可以异步地返回一个计算结果 Future,并且一般需要配合ExecutorService 来执行。这一套操作在代码实现上似乎也并不难,可是对于call()方法具体怎么(被ExecutorService)执行的,以及 Future 这个结果是怎么获取的,却又不是很清楚了。

那么本篇文章,我们就一起来学习下 Callable 接口以及 Future 的使用,主要面向两个问题:

  • 承载着具体任务的 call() 方法如何被执行的?
  • 任务的执行结果如何得到?

你可能会说,这两个难道不是一个问题吗?任务执行了就会有返回结果,而返回结果也一定是任务执行了才返回的,难道还能返回一个其他任务的结果么??不要着急,耐心的看下去,你就会发现,这两个还真的就是一个问题。

本文将分为两个部分,第一部分分别介绍 任务执行、以及结果这三个概念在 Java API 中的实体和各自的继承关系,第二部分通过一个简单的例子回顾他们的用法,再理解下这两个问题的答案。

Callable、Executor 与 Future

既然是一个任务被执行并返回结果,那么我们先来看看具体的任务,也就是 Callable 接口。

任务:Callable

非常简单,只包含一个有泛型返回值的 call() 方法,需要在最后返回定义类型的结果。如果任务没有需要返回的结果,那么将泛型 V 设为 void 并return null;就可以了。对比的是 Runnable,另一个明显的区别则是 Callable可以抛出异常。

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


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

执行:ExecutorService

说到线程就少不了线程池,而说到线程池肯定离不开 Executor 接口。下面这幅图是 Executor 的框架,我们常用的是其中的两个具体实现类 ThreadPoolExecutor 以及 ScheduledThreadPoolExecutor,在 Executors 类中通过静态方法获取。Executors 中包含了线程池以及线程工厂的构造,与 Executor 接口的关系类似于 Collection 接口和 Collections 类的关系。

Java异步之《我call(),Future在哪里》

那么我们自顶向下,从源码上了解一下 Executor 框架,学习学习任务是如何被执行的。首先是 Executor 接口,其中只定义了 execute() 方法。

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}

ExecutorService 接口继承了 Executor 接口,主要扩展了一系列的 submit() 方法以及对 executor 的终止和判断状态。以第一个<T> Future<T> submit(Callable<T> task);为例,其中 task 为用户定义的执行的异步任务,Future 表示了任务的执行结果,泛型 T 代表任务结果的类型。

public interface ExecutorService extends Executor {

    void shutdown();                // 现有任务完成后停止线程池
 
    List<Runnable> shutdownNow();   // 立即停止线程池

    boolean isShutdown();           // 判断是否已停止

    boolean isTerminated();

    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);        // 提交Callale任务

    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    Future<?> submit(Runnable task);

    // 针对Callable集合的invokeAll()等方法
}

抽象类AbstractExecutorServiceThreadPoolExecutor 的基类,在下面的代码中,它实现了ExecutorService 接口中的 submit() 方法。注释中是对应的 newTaskFor() 方法的代码,非常简单,就是将传入的Callable 或 Runnable 参数封装成一个 FutureTask 对象。

// 1.第一个重载方法,参数为Callable
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
  if (task == null) throw new NullPointerException();
  RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
  // return new FutureTask<T>(callable);
  execute(ftask);
  return ftask;
}

// 2.第二个重载方法,参数为Runnable
public Future<?> submit(Runnable task) {
  if (task == null) throw new NullPointerException();
  RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
  // return new FutureTask<T>(task, null);
  execute(ftask);
  return ftask;
}

// 3.第三个重载方法,参数为Runnable + 返回对象
public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
  if (task == null) throw new NullPointerException();
  RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);
  // return new FutureTask<T>(task, result);
  execute(ftask);
  return ftask;
}

那么也就是说,无论传入的是 Callable 还是 Runnable,submit() 方法其实就做了三件事

Java异步之《我call(),Future在哪里》

具体来说,submit() 中首先生成了一个 RunnableFuture 引用的 FutureTask 实例,然后调用 execute() 方法来执行它,那么我们可以推测 FutureTask 继承自 RunnableFuture,而 RunnableFuture 又实现了 Runnable,因为execute() 的参数应为 Runnable 类型。上面还涉及到了 FutureTask 的构造函数,也来看一下。

public FutureTask(Callable<V> callable) {
  this.callable = callable;
  this.state = NEW;
}

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
  this.callable = Executors.callable(runnable, result); // 通过适配器将runnable在call()中执行并返回result
  this.state = NEW;
}

FutureTask 共有两个构造方法。第一个构造方法比较简单,对应上面的第一个 submit(),采用组合的方式封装Callable 并将状态设为NEW;而第二个构造方法对应上面的后两个 submit() 重载,不同之处是首先使用了Executors.callable来将 Runnable 和 result 组合成 Callable,这里采用了适配器RunnableAdapter implements Callable,巧妙地在 call() 中执行 Runnable 并返回结果。

static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
  final Runnable task;
  final T result;                // 返回的结果;显然:需要在run()中赋值

  RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
    this.task = task;
    this.result = result;
  }
  public T call() {
    task.run();
    return result;
  }
}

在适配器设计模式中,通常包含**目标接口 Target、适配器 Adapter 和被适配者 Adaptee **三类角色,其中目标接口代表客户端(当前业务系统)所需要的功能,通常为借口或抽象类;被适配者为现存的不能满足使用需求的类;适配器是一个转换器,也称 wrapper,用于给被适配者添加目标功能,使得客户端可以按照目标接口的格式正确访问。对于 RunnableAdapter 来说,Callable 是其目标接口,而 Runnable 则是被适配者。RunnableAdapter 通过覆盖 call() 方法使其可按照 Callable 的要求来使用,同时其构造方法中接收被适配者和目标对象,满足了 call() 方法有返回值的要求。

Java异步之《我call(),Future在哪里》

那么总结一下 submit() 方法执行的流程,就是:Callable 被封装在 Runnable 的子类中传入 execute() 得以执行

结果:Future

要说 Future 就是异步任务的执行结果其实并不准确,因为它代表了一个任务的执行过程,有状态、可以被取消,而 get() 方法的返回值才是任务的结果。

public interface Future<V> {

    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    boolean isCancelled();

    boolean isDone();

    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

我们在上面中还提到了 RuunableFuture 和 FutureTask。从官方的注释来看,RuunableFuture 就是一个可以 run的 future,实现了 Runnable 和 Future 两个接口,在 run() 方法中执行完计算时应该将结果保存起来以便通过 get()获取。

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    /**
     * Sets this Future to the result of its computation unless it has been cancelled.
     */
    void run();
}

FutureTask 直接实现了 RunnableFuture 接口,作为执行过程,共有下面这几种状态,其中 COMPLETING 为一个暂时状态,表示正在设置结果或异常,对应的,设置完成后状态变为 NORMAL 或 EXCEPTIONAL;CANCELLED、INTERRUPTED 表示任务被取消或中断。在上面的构造方法中,将 state 初始化为 NEW。

    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;

然后是 FutureTask 的主要内容,主要是 run() 和 get()。注意 outcome 的注释,无论是否发生异常返回的都是这个 outcome,因为在执行中如果执行成功就将结果设置给了它(set()),而发生异常时将异常赋给了他(setException()),而在获取结果时也都返回了 outcome(通过report())。

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
    
    private Callable<V> callable;         // target,待执行的任务
    
    /** 保存执行结果或异常,在get()方法中返回/抛出 */
    private Object outcome; // 非volatile,通过CAS保证线程安全
    
    
    public void run() {
        ......
        Callable<V> c = callable;
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran;
            try {
                result = c.call();            // 调用call()执行用户任务并获取结果
                ran = true;                   // 执行完成,ran置为true
            } catch (Throwable ex) {          // 调用call()出现异常,而run()方法继续执行
                 result = null;
                 ran = false;
                 setException(ex);            
                 // setException(Throwable t): compareAndSwapInt(NEW, COMPLETING);  outcome = t;      
            }
            if (ran)
                set(result);                  
            	// set(V v): compareAndSwapInt(NEW, COMPLETING);  outcome = v;
        }
    }
    
    
    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L);         // 加入队列等待COMPLETING完成,可响应超时、中断
        return report(s);
    }

    public V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
        // 超时等待
    }
    
    private V report(int s) throws ExecutionException {
        Object x = outcome;
        if (s == NORMAL)                              // 将outcome作为执行结果返回
            return (V)x;
        if (s >= CANCELLED)
            throw new CancellationException();
        throw new ExecutionException((Throwable)x);   // 将outcome作为捕获的返回
    }
}

FutureTask 实现了 RunnableFuture 接口,所以有两方面的作用。

  • 第一,作为 Runnable 传入 execute() 方法来执行,同时封装 Callable 对象并在 run() 中调用其 call() 方法;
  • 第二,作为 Future 管理任务的执行状态,将 call() 的返回值保存在 outcome 中以通过 get() 获取。这似乎就能回答开头的两个问题,并且浑然天成,就好像是一个问题,除非发生异常的时候返回的不是任务的结果而是异常对象。

总结一下继承关系:

Java异步之《我call(),Future在哪里》

二、使用举例

文章的标题有点唬人,说到底还是讲 Callable 的用法。现在我们知道了 Future 代表了任务执行的过程和结果,作为 call() 方法的返回值来获取执行结果;而 FutureTask 是一个 Runnable 的 Future,既是任务执行的过程和结果,又是 call 方法最终执行的载体。下面通过一个例子看看他们在使用上的区别。

首先创建一个任务,即定义一个任务类实现 Callable 接口,在 call() 方法里添加我们的操作,这里用耗时三秒然后返回 100 模拟计算过程。

class MyTask implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子线程开始计算...");
        for (int i=0;i<3;++i){
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("子线程计算中,用时 "+(i+1)+" 秒");
        }
        System.out.println("子线程计算完成,返回:100");
        return 100;
    }
}

然后呢,创建一个线程池,并实例化一个 MyTask 备用。

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
MyTask task = new MyTask();

现在,分别使用 Future 和 FutureTask 来获取执行结果,看看他们有什么区别。

使用Future

Future 一般作为 submit() 的返回值使用,并在主线程中以阻塞的方式获取异步任务的执行结果。

System.out.println("主线程启动线程池");
Future<Integer> future = executor.submit(task);
System.out.println("主线程得到返回结果:"+future.get());
executor.shutdown();

看看输出结果:

主线程启动线程池
子线程开始计算...
子线程计算中,用时 1 秒
子线程计算中,用时 2 秒
子线程计算中,用时 3 秒
子线程计算完成,返回:100
主线程得到返回结果:100

由于 get() 方法阻塞获取结果,所以输出顺序为子线程计算完成后主线程输出结果。

使用FutureTask

由于 FutureTask 集任务与结果于一身,所以我们可以使用 FutureTask 自身而非返回值来管理任务,这需要首先利用 Callable 对象来构造 FutureTask,并调用不同的submit()重载方法。

System.out.println("主线程启动线程池");
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(task);
executor.submit(futureTask);                                 // 作为Ruunable传入submit()中
System.out.println("主线程得到返回结果:"+futureTask.get());    // 作为Future获取结果
executor.shutdown();

这段程序的输出与上面中完全相同,其实两者在实际执行中的区别也不大,虽然前者调用了submit(Callable<T> task)而后者调用了submit(Runnable task),但最终都通过execute(futuretask)来把任务加入线程池中。

总结

上面大费周章其实只是尽可能细致地讲清楚了 Callable 中的任务是如何执行的,总结起来就是:

  • 线程池中,submit() 方法实际上将 Callable 封装在 FutureTask 中,将其作为 Runnable 的子类传给 execute()真正执行;
  • FutureTask 在 run() 中调用 Callable 对象的 call() 方法并接收返回值或捕获异常保存在Object outcome中,同时管理执行过程中的状态state
  • FutureTask 同时作为 Future 的子类,通过 get() 返回任务的执行结果,若未执行完成则通过等待队列进行阻塞等待完成;

FutureTask 作为一个 Runnable 的 Future,其中最重要的两个方法如下。

Java异步之《我call(),Future在哪里》

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