Callable<V>、Future<V>详解 | Executor框架 - 跑龙套@程序

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Callable<V>、Future<V>详解 | Executor框架

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Callable Future FutureTask Executor 并发

一：关于 Callable<V>的源码

package java.util.concurrent;

public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

Callable<V>: 返回结果并且可能抛出异常的任务。实现者定义了一个不带任何参数的叫做 call的方法。 Callable<V>接口类似于 Runnable，两者都是为那些其实例可能被另一个线程执行的类设计的。但是 Runnable不会返回结果，并且无法抛出经过检查的异常。 Executors类包含一些从其他普通形式转换成 Callable<V>类的实用方法。

在并发编程时，一般使用Runnable接口，然后扔给线程池完事，这种情况下不需要线程的结果。所以run()的返回值是void类型。如下代码所示：

package future;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class FutureTest {
	public static class Task implements Runnable{
		@Override
		public void run() {
			System.out.println("做任务----"+Thread.currentThread().getName());
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		//创建线程池
		ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
		for(int i=0;i<100;i++){
			es.submit(new Task());
		}
	}
}

如果是一个多线程协作程序，比如菲波拉切数列，1，1，2，3，5，8...使用多线程来计算。
但后者需要前者的结果，就需要用Callable<V>接口了。如下代码所示：

package future;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class FutureTest2 {
	public static class Task implements Callable<String>{
		@Override
		public String call() throws Exception {
			System.out.println("做任务----"+Thread.currentThread().getName());
			return "返回运算结果";
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		//创建线程池
		ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
		for(int i=0;i<100;i++){
			es.submit(new Task());
		}
	}
}

我们看到，当Task类实现Callable接口后，重写了call()方法，call()方法是有返回值的。但我们如何来接受call()方法的返回值呢？

package future;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;

public class FutureTest3 {
	public static class Task implements Callable<String>{
		@Override
		public String call() throws Exception {
			System.out.println("做任务----"+Thread.currentThread().getName());
			return "返回运算结果";
		}
	}
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
		
		List<Future<String>> result = new ArrayList<Future<String>>();
		
		//创建线程池
		ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
		for(int i=0;i<100;i++){
			result.add(es.submit(new Task()));
		}
		for(Future<String> f : result){
			System.out.println(f.get());
		}
	}
}

从这里可以看出，这时候，Future<V>就出场了，使用Future<V>接口的get()方法可以获得call()方法返回的结果，当调用Future的get()方法时，当前线程就开始阻塞，直到call()方法结束返回结果。

Future模式可以这样来描述：我有一个任务,提交给了Future，Future替我完成这个任务。期间我自己可以去做任何想做的事情。一段时间之后，我就便可以从Future那儿取出结果。就相当于下了一张订货单，一段时间后可以拿着提订单来提货，这期间可以干别的任何事情。其中Future接口就是订货单，真正处理订单的是Executor类，它根据Future接口的要求来生产产品。

二：关于 Future<V>的源码

package java.util.concurrent;

/**
* Future 表示异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并获取计算的结果。计算完成后只能使
* 用 get 方法来获取结果，如有必要，计算完成前可以阻塞此方法。取消则由 cancel 方法来执行。还提供了其他方法，以确     * 定任务是正常完成还是被取消了。一旦计算完成，就不能再取消计算。如果为了可取消性而使用 Future 但又不提供可用的结     * 果，则可以声明 Future<?> 形式类型、并返回 null 作为底层任务的结果。
*
  * @see FutureTask
  * @see Executor
  * @since 1.5
  * @author Doug Lea
  * @param<V> The result type returned by this Future's <tt>get</tt> method
  */
publicinterface Future<V> {

    /**
     * 试图取消对此任务的执行。如果任务已完成、或已取消，或者由于某些其他原因而无法取消，则此尝试将失败。当调用 cancel * 时，如果调用成功，而此任务尚未启动，则此任务将永不运行。如果任务已经启动，则 mayInterruptIfRunning 参数     
     * 确定是否应该以试图停止任务的方式来中断执行此任务的线程。
     */
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    /**
     * 如果在任务正常完成前将其取消，则返回 true。   
     */
    boolean isCancelled();

    /**
     * 如果任务已完成，则返回 true。可能由于正常终止、异常或取消而完成，在所有这些情况中，此方法都将返回 true。    
     */
    boolean isDone();

    /**
     * 如有必要，等待计算完成，然后获取其结果。 
     */
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    /**
     * 如有必要，最多等待为使计算完成所给定的时间之后，获取其结果（如果结果可用）。
     */
    V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

1) Future接口是一个泛型接口，严格的格式应该是Future<V>，其中V代表了Future执行的任务返回值的类型

2) Future接口提供方法来检测任务是否被执行完，等待任务执行完获得结果，也可以设置任务执行的超时时间。这个设置超时的方法就是实现Java程序执行超时的关键。

三：关于 Future实现

Future的实现类有FutureTask和SwingWork，其中SwingWork用于GUI编程模块，在并发包里经常用到的是FutureTask类, 这里主要介绍一下FutureTask类

类声明部分：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {}

FutureTask: 实现了RunnableFuture<V>接口，而RunnableFuture<V>又是extends(继承) Runnable和Future<V>两个接口，所以它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future<V>得到 Callable<V>的返回值，那么这个组合的使用有什么好处呢？假设有一个很耗时的返回值需要计算，并且这个返回值不是立刻需要的话，那么就可以使用这个组合，用另一个线程去计算返回值，而当前线程在使用这个返回值之前可以做其它的操作，等到需要这个返回值时，再通过Future<V>得到，岂不美哉！

变量部分：

private volatile int state;
private static final int NEW          = 0;               //新建  
private static final int COMPLETING   = 1;              //执行中 
private static final int NORMAL       = 2;               //正常
private static final int EXCEPTIONAL  = 3;              //异常       
private static final int CANCELLED    = 4;              //取消
private static final int INTERRUPTING = 5;             //中断中
private static final int INTERRUPTED  = 6;             //被中断

state:任务的状态，最初是 NEW,完成期间，状态也许暂时呈现为COMPLETING（当结果已经被设值）或者INTERRUPTING(only while interrupting the runner to satisfy a cancel(true)),

可能出现的状态转换情况：

* NEW -> COMPLETING -> NORMAL 正常完成的流程

* NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL 出现异常的流程

* NEW -> CANCELLED 被取消的流程

* NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED 被中断的流程

构造函数：

   /**
     *  创建一个 FutureTask，一旦运行就执行给定的 Callable。    
     */
    public FutureTask(Callable<V> callable) {
        if (callable == null)
            thrownew NullPointerException();
        this.callable = callable;
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

    /**
     *  创建一个 FutureTask，一旦运行就执行给定的 Runnable，并安排成功完成时 get 返回给定的结果
     */
    public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
        this.callable = Executors.callable(runnable, result);
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

从构造函数中可以看出，当构造一个FutureTask时，state会被置为NEW（NEW也就是所有状态变化路径的起始状态）

FutureTask生命周期的变化，主要取决于 run()方法先被调用还是cancel ()方法会被调用，这两个方法的执行顺序决定了FutureTask的生命周期的四种走向。

先来看run()方法：

publicvoid run() {
     //首先判断任务的状态，如果任务的状态值不为NEW，或 runner变量的值不为null，则返回（说明正在走或已经走了4种状态变化的一种）
        if (state != NEW ||
            !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                         null, Thread.currentThread()))
            return;
//如果状态值是NEW，则开始执行任务
        try {
            Callable<V> c = callable;
            if (c != null && state == NEW) { //如果任务不为空，且状态为NEW，开始执行
                V result;                         //任务返回的结果
                boolean ran;
                try {
                    result = c.call();          //执行任务并返回结果
                    ran = true;                  //标记任务执行成功
                } catch (Throwable ex) {  //任务执行中发生异常
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex);           //设置异常
                }
                if (ran)                          //任务执行成功，设置结果
                    set(result);
            }
        } finally {
            runner = null;                       //runner置为null
            // state must be re-read after nulling runner to prevent
            // leaked interrupts
            int s = state;
            if (s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
    }

1)任务执行成功，会调用set()方法设置结果

protected void set(V v) {
//如过state是NEW，把state设置成COMPLETING 
     if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
          outcome = v;
        //将任务设置成NORMAL   over the task  
          UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
          finishCompletion();
     }
}

从set()方法可以看出，把任务运行的结果赋值给了outcome变量,这个执行流程导致的状态变化就是 NEW->COMPLETING->NORMAL

2)任务执行中发生异常，会调用setException()方法

protecte dvoid setException(Throwable t) {
//如过state是NEW，把state设置成COMPLETING    
     if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
          outcome = t;
        //将任务设置成EXCEPTIONAL  
          UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
          finishCompletion();
     }
}

这个执行流程导致的状态变化就是 NEW->COMPLETING->EXCEPTIONAL

再来看cancel()方法：

//参数：mayInterruptIfRunning   是否中断running
publicboolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) { 
     if (state != NEW)      //状态不为NEW，返回
          returnfalse;
     if (mayInterruptIfRunning) { //如果应该中断执行此任务的线程
          //如过state是NEW，把state设置成INTERRUPTING
          if (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, INTERRUPTING))
               returnfalse;
          Thread t = runner;
          if (t != null)
                t.interrupt();
         //将任务设置成INTERRUPTED
          UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED); // final state
     }
     //如过state是NEW，把state设置成CANCELLED
     elseif (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, CANCELLED))
            returnfalse;
     finishCompletion();
     returntrue;
}

如果mayInterruptIfRunning==true，则流程为：NEW->INTERRUPTING ->INTERRUPTED, 否则流程为：NEW->CANCELLED

到此，四个流程走完了！

参考资料：

JDK API文档

http://blog.csdn.net/yangyan19870319/article/details/6093481

http://www.oschina.net/question/54100_83333

http://www.2cto.com/kf/201411/351903.html

http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/7451464

http://blog.csdn.net/liulipuo/article/details/39029643