追踪解析 FutureTask 源码

零 前期准备

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文章异常啰嗦且绕弯。

1 版本

JDK 版本 : OpenJDK 11.0.1

IDE : idea 2018.3

2 ThreadLocal 简介

FutureTask 是 jdk 中默认的 Future 实现类，常与 Callable 结合进行多线程并发操作。

3 Demo

import java.util.concurrent.*;

public class FutureTaskDemo {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException, TimeoutException {
        
        //创建一个线程池
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
        try{
            //创建一个要执行的 Callable 对象
            //此处其实 Runnable 对象也可以，但是通常不会那样做
            Callable<String> task = () -> {
                //休眠三秒
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                //返回一个字符串
                return "hello";
            };

            //用 FutureTask 对象去包装 Callable
            FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(task);

            //此处将 FutureTask 对象丢进线程池里
            pool.submit(futureTask);

            //注意，此处的 futureTask 本质上是作为 Runnable 被丢进池子里的
            //所以也可以用线程池的 execute(...) 方法
            //pool.execute(futureTask)

            //还有一种更常见的执行方式是直接使用 Thread
            //new Thread(futureTask).start();

            //获取结果
            //注意，如果没有获取到的话此处会阻塞线程直到获取到为止
            String result = futureTask.get();

            //还有一种限时策略的结果获取
            //超时的情况下会抛出异常
            //String result = futureTask.get(1,TimeUnit.SECONDS);

            System.out.println(result);
        }finally {
            //关闭连接池
            pool.shutdown();
        }

    }
}

一 FutureTask 的创建

回到 Demo 中的创建代码：

FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(task);

追踪 FutureTask 的构造器：

//FutureTask.class
public FutureTask(Callable<V> callable) {
    //有效性判断，不能为空
    if (callable == null)
        throw new NullPointerException();
    //记录下 callable 对象
    this.callable = callable;
    //state 是一个 int 类型的对象，是一个
    //NEW = 0
    this.state = NEW;
}

二 run

FutureTask 本身是 Runnable 的子类，其在被 ThreadPoolExecutor 或者 Thread 对象消费的时候也是被当做 Runnable 的实现类的。

所以其本身的核心逻辑就必然在 run() 方法中：

//FutureTask.class
public void run() {

    //先判断状态，如果状态不是 NEW 就会直接返回
    //RUNNER 是一个 VarHandler 类型的变量，指向了 FutureTask 中的 thread 变量，用于储存当前的线程
    //但是如果 thread 已经不为 null，此处也会直接返回
    //这两种返回条件都意味着此 FutureTask 的 run() 方法已经执行过了
    if (state != NEW || !RUNNER.compareAndSet(this, null, Thread.currentThread()))
        return;

    try {
        //获取 callable
        Callable<V> c = callable;
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran;
            try {
                //执行 callable 的业务逻辑
                result = c.call();
                //ran 为成功标识
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
                //出错的情况下
                result = null;
                ran = false;
                //不成功的情况下存入 exception
                setException(ex);
            }
            //如果成功的话会在此处进行操作
            if (ran)
                set(result);
        }
    } finally {
        //置空
        runner = null;
        int s = state;
        if (s >= INTERRUPTING)
            //如果此 FutreTask 的状态是中断状态，会在此处不断调用 Thread.yield() 空转
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}

此处有两个关键方法，即为 setException(...) 和 set(...)：

//FutureTask.class
protected void setException(Throwable t) {
    //用 CAS 操作比较并更新状态值
    if (STATE.compareAndSet(this, NEW, COMPLETING)) {
        //outcome 是一个 Object 对象，用于存储 callable 的返回值
        //此处由于报错了，所以储存的是错误对象
        outcome = t;
        //EXCEPTIONAL = 3
        STATE.setRelease(this, EXCEPTIONAL);
        //最后清理工作，主要用于唤醒等待线程和执行 callable
        finishCompletion();
    }
}

//FutureTask.class
protected void set(V v) {
    //基本逻辑和 setException(...) 方法雷同，只是 STATE 和 outcome 的储存值不同
    if (STATE.compareAndSet(this, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = v;
        STATE.setRelease(this, NORMAL);
        finishCompletion();
    }
}

再来看 finishCompletion() 方法：

//FutureTask.class
private void finishCompletion() {
    //WaitNode 是 FutureTask 的静态内部类
    //其本质上是单向链表的节点表示类，用于存放想要获取 Callable 的返回值但是被阻塞的线程的线程对象
    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
        //此处使用 CAS 将 q 从 WAITERS 里去除
        if (WAITERS.weakCompareAndSet(this, q, null)) {
            for (;;) {
                Thread t = q.thread;
                if (t != null) {
                    //此处置空线程对象，帮助 GC
                    q.thread = null;
                    //唤醒线程
                    LockSupport.unpark(t);
                }
                //接着往下遍历
                WaitNode next = q.next;
                if (next == null)
                    break;
                q.next = null; 
                q = next;
            }
            break;
        }
    }
    //此方法是空的
    done();
    //置空 callable
    callable = null;
}

之前提到过在 FutureTask 的 get(...) 方法中会阻塞线程，直到 Callable 执行完毕并能够获取返回值的时候才会结束阻塞。

所以 finishCompletion() 方法的主体其实就是去唤醒被阻塞的线程。

三 get

回到 Demo 中的创建代码：

String result = futureTask.get();

追踪 get() 方法：

//step 1
//FutureTask.class
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    //此处先判断状态值，如果非 COMPLETING，即为还没完成，就会调用 awaitDone(...) 方法阻塞线程
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING)
        s = awaitDone(false, 0L);
    //返回结果
    return report(s);
}

//step 2
//FutureTask.class
private V report(int s) throws ExecutionException {
    //获取需要返回的对象
    Object x = outcome;
    //如果是正常结束的就直接返回对象即可
    if (s == NORMAL)
        return (V)x;
    //出错的情况下，抛异常
    if (s >= CANCELLED)
        throw new CancellationException();
    throw new ExecutionException((Throwable)x);
}

再来看一下阻塞线程的 awaitDone(...) 方法：

private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException {
    
    //循环的次数
    long startTime = 0L;
    //节点对象
    WaitNode q = null;
    //链表队列标识，代表该线程是否被加入链表中，初始为 false 代表未被加入
    boolean queued = false;
    for (;;) {
        int s = state;
        if (s > COMPLETING) { //如果 Callable 的执行已经完成
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }else if (s == COMPLETING) //Callable 的执行刚刚完成，后续工作还没做
            Thread.yield();
        else if (Thread.interrupted()) {
            //线程被中断了，会抛出错误
            removeWaiter(q);
            throw new InterruptedException();
        } else if (q == null) { //进入此处的判断证明 Callable 还未完成，所以会创建等待节点
            //此处的 timed 传入为 false，不会在此返回
            if (timed && nanos <= 0L)
                return s;
            q = new WaitNode(); //新建节点
        }else if (!queued)
            //queued 初始为 false，进入此处的时候会将上一个判断条件中新建的 q 加入到链表的首节点中
            //并且 queued 变成 true
            queued = WAITERS.weakCompareAndSet(this, q.next = waiters, q);
        else if (timed) {
            //如果此操作是限时的，那么这里需要判断时间
            final long parkNanos;
            if (startTime == 0L) {
                startTime = System.nanoTime();
                if (startTime == 0L)
                    startTime = 1L;
                parkNanos = nanos;
            } else {
                long elapsed = System.nanoTime() - startTime;
                if (elapsed >= nanos) {
                    removeWaiter(q);
                    return state;
                }
                parkNanos = nanos - elapsed;
            }
            if (state < COMPLETING)
                //此处挂起线程，时间为 parkNanos
                //本例中传入为 0L，所以是永久挂起
                LockSupport.parkNanos(this, parkNanos);
        }else
            //永久挂起线程
            LockSupport.park(this);
    }
}

四 一点唠叨

FutureTask 和 ThreadLocal 一样，都是 java.util.current 包中的小工具，封装不复杂，理解即可。

本文仅为个人的学习笔记，可能存在错误或者表述不清的地方，有缘补充