- 你有一个思想,我有一个思想,咱们交换后,一我的就有两个思想
- If you can NOT explain it simply, you do NOT understand it well enough
建立线程有几种方式?这个问题的答案应该是能够脱口而出的吧html
但这两种方式建立的线程是属于”三wu产品“:java
class MyThread implements Runnable{ @Override public void run() { log.info("my thread"); } }
Runnable 接口是 JDK1.0 的核心产物编程
/** * @since JDK1.0 */ @FunctionalInterface public interface Runnable { public abstract void run(); }
用着 “三wu产品” 老是有一些弊端,其中没办法拿到返回值是最让人不能忍的,因而 Callable 就诞生了安全
又是 Doug Lea 大师,又是 Java 1.5 这个神奇的版本多线程
/** * @see Executor * @since 1.5 * @author Doug Lea * @param <V> the result type of method {@code call} */ @FunctionalInterface public interface Callable<V> { V call() throws Exception; }
Callable 是一个泛型接口,里面只有一个 call()
方法,该方法能够返回泛型值 V ,使用起来就像这样:并发
Callable<String> callable = () -> { // Perform some computation Thread.sleep(2000); return "Return some result"; };
两者都是函数式接口,里面都仅有一个方法,使用上又是如此类似,除了有无返回值,Runnable 与 Callable 就点差异吗?异步
两个接口都是用于多线程执行任务的,但他们仍是有很明显的差异的ide
先从执行机制上来看,Runnable 你太清楚了,它既能够用在 Thread 类中,也能够用在 ExecutorService 类中配合线程池的使用;Bu~~~~t, Callable 只能在 ExecutorService 中使用,你翻遍 Thread 类,也找不到Callable 的身影函数
Runnable 接口中的 run 方法签名上没有 throws ,天然也就没办法向上传播受检异常;而 Callable 的 call() 方法签名却有 throws,因此它能够处理受检异常;高并发
因此概括起来看主要有这几处不一样点:
总体差异虽然不大,可是这点差异,却具备重大意义
返回值和处理异常很好理解,另外,在实际工做中,咱们一般要使用线程池来管理线程(缘由已经在 为何要使用线程池? 中明确说明),因此咱们就来看看 ExecutorService 中是如何使用两者的
先来看一下 ExecutorService 类图
我将上图标记的方法单独放在此处
void execute(Runnable command); <T> Future<T> submit(Callable<T> task); <T> Future<T> submit(Runnable task, T result); Future<?> submit(Runnable task);
能够看到,使用ExecutorService 的 execute()
方法依旧得不到返回值,而 submit()
方法清一色的返回 Future
类型的返回值
细心的朋友可能已经发现, submit() 方法已经在 CountDownLatch 和 CyclicBarrier 傻傻的分不清楚? 文章中屡次使用了,只不过咱们没有获取其返回值罢了,那么
咱们带着这些疑问一点点来看
Future 又是一个接口,里面只有五个方法:
从方法名称上相信你已经能看出这些方法的做用
// 取消任务 boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning); // 获取任务执行结果 V get() throws InterruptedException, ExecutionException; // 获取任务执行结果,带有超时时间限制 V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException; // 判断任务是否已经取消 boolean isCancelled(); // 判断任务是否已经结束 boolean isDone();
铺垫了这么多,看到这你也许有些乱了,我们赶忙看一个例子,演示一下几个方法的做用
@Slf4j public class FutureAndCallableExample { public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException { ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor(); // 使用 Callable ,能够获取返回值 Callable<String> callable = () -> { log.info("进入 Callable 的 call 方法"); // 模拟子线程任务,在此睡眠 2s, // 小细节:因为 call 方法会抛出 Exception,这里不用像使用 Runnable 的run 方法那样 try/catch 了 Thread.sleep(5000); return "Hello from Callable"; }; log.info("提交 Callable 到线程池"); Future<String> future = executorService.submit(callable); log.info("主线程继续执行"); log.info("主线程等待获取 Future 结果"); // Future.get() blocks until the result is available String result = future.get(); log.info("主线程获取到 Future 结果: {}", result); executorService.shutdown(); } }
程序运行结果以下:
若是你运行上述示例代码,主线程调用 future.get() 方法会阻塞本身,直到子任务完成。咱们也可使用 Future 方法提供的 isDone
方法,它能够用来检查 task 是否已经完成了,咱们将上面程序作点小修改:
// 若是子线程没有结束,则睡眠 1s 从新检查 while(!future.isDone()) { System.out.println("Task is still not done..."); Thread.sleep(1000); }
来看运行结果:
若是子程序运行时间过长,或者其余缘由,咱们想 cancel 子程序的运行,则咱们可使用 Future 提供的 cancel 方法,继续对程序作一些修改
while(!future.isDone()) { System.out.println("子线程任务尚未结束..."); Thread.sleep(1000); double elapsedTimeInSec = (System.nanoTime() - startTime)/1000000000.0; // 若是程序运行时间大于 1s,则取消子线程的运行 if(elapsedTimeInSec > 1) { future.cancel(true); } }
来看运行结果:
为何调用 cancel 方法程序会出现 CancellationException 呢? 是由于调用 get() 方法时,明确说明了:
调用 get() 方法时,若是计算结果被取消了,则抛出 CancellationException (具体缘由,你会在下面的源码分析中看到)
有异常不处理是很是不专业的,因此咱们须要进一步修改程序,以更友好的方式处理异常
// 经过 isCancelled 方法判断程序是否被取消,若是被取消,则打印日志,若是没被取消,则正常调用 get() 方法 if (!future.isCancelled()){ log.info("子线程任务已完成"); String result = future.get(); log.info("主线程获取到 Future 结果: {}", result); }else { log.warn("子线程任务被取消"); }
查看程序运行结果:
相信到这里你已经对 Future
的几个方法有了基本的使用印象,但 Future
是接口,其实使用 ExecutorService.submit()
方法返回的一直都是 Future
的实现类 FutureTask
接下来咱们就进入这个核心实现类一探究竟
一样先来看类结构
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> { void run(); }
很神奇的一个接口,FutureTask
实现了 RunnableFuture
接口,而 RunnableFuture
接口又分别实现了 Runnable
和 Future
接口,因此能够推断出 FutureTask
具备这两种接口的特性:
Runnable
特性,因此能够用在 ExecutorService
中配合线程池使用Future
特性,因此能够从中获取到执行结果若是你完整的看过 AQS 相关分析的文章,你也许会发现,阅读 Java 并发工具类源码,咱们无非就是要关注如下这三点:
- 状态 (代码逻辑的主要控制) - 队列 (等待排队队列) - CAS (安全的set 值)
脑海中牢记这三点,我们开始看 FutureTask 源码,看一下它是如何围绕这三点实现相应的逻辑的
文章开头已经提到,实现 Runnable 接口形式建立的线程并不能获取到返回值,而实现 Callable 的才能够,因此 FutureTask 想要获取返回值,一定是和 Callable 有联系的,这个推断一点都没错,从构造方法中就能够看出来:
public FutureTask(Callable<V> callable) { if (callable == null) throw new NullPointerException(); this.callable = callable; this.state = NEW; // ensure visibility of callable }
即使在 FutureTask 构造方法中传入的是 Runnable 形式的线程,该构造方法也会经过 Executors.callable
工厂方法将其转换为 Callable 类型:
public FutureTask(Runnable runnable, V result) { this.callable = Executors.callable(runnable, result); this.state = NEW; // ensure visibility of callable }
可是 FutureTask 实现的是 Runnable 接口,也就是只能重写 run() 方法,run() 方法又没有返回值,那问题来了:
- FutureTask 是怎样在 run() 方法中获取返回值的?
- 它将返回值放到哪里了?
- get() 方法又是怎样拿到这个返回值的呢?
咱们来看一下 run() 方法(关键代码都已标记注释)
public void run() { // 若是状态不是 NEW,说明任务已经执行过或者已经被取消,直接返回 // 若是状态是 NEW,则尝试把执行线程保存在 runnerOffset(runner字段),若是赋值失败,则直接返回 if (state != NEW || !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread())) return; try { // 获取构造函数传入的 Callable 值 Callable<V> c = callable; if (c != null && state == NEW) { V result; boolean ran; try { // 正常调用 Callable 的 call 方法就能够获取到返回值 result = c.call(); ran = true; } catch (Throwable ex) { result = null; ran = false; // 保存 call 方法抛出的异常 setException(ex); } if (ran) // 保存 call 方法的执行结果 set(result); } } finally { runner = null; int s = state; // 若是任务被中断,则执行中断处理 if (s >= INTERRUPTING) handlePossibleCancellationInterrupt(s); } }
run()
方法没有返回值,至于 run()
方法是如何将 call()
方法的返回结果和异常都保存起来的呢?其实很是简单, 就是经过 set(result) 保存正常程序运行结果,或经过 setException(ex) 保存程序异常信息
/** The result to return or exception to throw from get() */ private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes // 保存异常结果 protected void setException(Throwable t) { if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { outcome = t; UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state finishCompletion(); } } // 保存正常结果 protected void set(V v) { if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { outcome = v; UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state finishCompletion(); } }
setException
和 set
方法很是类似,都是将异常或者结果保存在 Object
类型的 outcome
变量中,outcome
是成员变量,就要考虑线程安全,因此他们要经过 CAS方式设置 outcome 变量的值,既然是在 CAS 成功后 更改 outcome 的值,这也就是 outcome 没有被 volatile
修饰的缘由所在。
保存正常结果值(set方法)与保存异常结果值(setException方法)两个方法代码逻辑,惟一的不一样就是 CAS 传入的 state 不一样。咱们上面提到,state 多数用于控制代码逻辑,FutureTask 也是这样,因此要搞清代码逻辑,咱们须要先对 state 的状态变化有所了解
/* * * Possible state transitions: * NEW -> COMPLETING -> NORMAL //执行过程顺利完成 * NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL //执行过程出现异常 * NEW -> CANCELLED // 执行过程当中被取消 * NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED //执行过程当中,线程被中断 */ 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;
7种状态,千万别慌,整个状态流转其实只有四种线路
FutureTask 对象被建立出来,state 的状态就是 NEW 状态,从上面的构造函数中你应该已经发现了,四个最终状态 NORMAL ,EXCEPTIONAL , CANCELLED , INTERRUPTED 也都很好理解,两个中间状态稍稍有点让人困惑:
总的来讲,这两个中间状态都表示一种瞬时状态,咱们将几种状态图形化展现一下:
咱们知道了 run() 方法是如何保存结果的,以及知道了将正常结果/异常结果保存到了 outcome 变量里,那就须要看一下 FutureTask 是如何经过 get() 方法获取结果的:
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException { int s = state; // 若是 state 还没到 set outcome 结果的时候,则调用 awaitDone() 方法阻塞本身 if (s <= COMPLETING) s = awaitDone(false, 0L); // 返回结果 return report(s); }
awaitDone 方法是 FutureTask 最核心的一个方法
// get 方法支持超时限制,若是没有传入超时时间,则接受的参数是 false 和 0L // 有等待就会有队列排队或者可响应中断,从方法签名上看有 InterruptedException,说明该方法这是能够被中断的 private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException { // 计算等待截止时间 final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; WaitNode q = null; boolean queued = false; for (;;) { // 若是当前线程被中断,若是是,则在等待对立中删除该节点,并抛出 InterruptedException if (Thread.interrupted()) { removeWaiter(q); throw new InterruptedException(); } int s = state; // 状态大于 COMPLETING 说明已经达到某个最终状态(正常结束/异常结束/取消) // 把 thread 只为空,并返回结果 if (s > COMPLETING) { if (q != null) q.thread = null; return s; } // 若是是COMPLETING 状态(中间状态),表示任务已结束,但 outcome 赋值还没结束,这时主动让出执行权,让其余线程优先执行(只是发出这个信号,至因而否别的线程执行必定会执行但是不必定的) else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet Thread.yield(); // 等待节点为空 else if (q == null) // 将当前线程构造节点 q = new WaitNode(); // 若是尚未入队列,则把当前节点加入waiters首节点并替换原来waiters else if (!queued) queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q.next = waiters, q); // 若是设置超时时间 else if (timed) { nanos = deadline - System.nanoTime(); // 时间到,则再也不等待结果 if (nanos <= 0L) { removeWaiter(q); return state; } // 阻塞等待特定时间 LockSupport.parkNanos(this, nanos); } else // 挂起当前线程,知道被其余线程唤醒 LockSupport.park(this); } }
总的来讲,进入这个方法,一般会经历三轮循环
q == null
, 这时候会新建一个节点 q, 第一轮循环结束。!queue
,这个时候会把第一轮循环中生成的节点的 next 指针指向waiters,而后CAS的把节点q 替换waiters, 也就是把新生成的节点添加到waiters 中的首节点。若是替换成功,queued=true。第二轮循环结束。对于第二轮循环,你们可能稍稍有点迷糊,咱们前面说过,有阻塞,就会排队,有排队天然就有队列,FutureTask 内部一样维护了一个队列
/** Treiber stack of waiting threads */ private volatile WaitNode waiters;
说是等待队列,其实就是一个 Treiber 类型 stack,既然是 stack, 那就像手枪的弹夹同样(脑补一会儿弹放入弹夹的情形),后进先出,因此刚刚说的第二轮循环,会把新生成的节点添加到 waiters stack 的首节点
若是程序运行正常,一般调用 get() 方法,会将当前线程挂起,那谁来唤醒呢?天然是 run() 方法运行完会唤醒,设置返回结果(set方法)/异常的方法(setException方法) 两个方法中都会调用 finishCompletion 方法,该方法就会唤醒等待队列中的线程
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; // 唤醒等待队列中的线程 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 }
将一个任务的状态设置成终止态只有三种方法:
前两种方法已经分析完,接下来咱们就看一下 cancel
方法
查看 Future cancel(),该方法注释上明确说明三种 cancel 操做必定失败的情形
其它状况下,cancel操做将返回true。值得注意的是,cancel操做返回 true 并不表明任务真的就是被取消, 这取决于发动cancel状态时,任务所处的状态
若是发起cancel时任务已经在运行了,则这时就须要看 mayInterruptIfRunning
参数了:
有了这些铺垫,看一下 cancel 代码的逻辑就秒懂了
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) { if (!(state == NEW && UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED))) return false; try { // in case call to interrupt throws exception // 须要中断任务执行线程 if (mayInterruptIfRunning) { try { Thread t = runner; // 中断线程 if (t != null) t.interrupt(); } finally { // final state // 修改成最终状态 INTERRUPTED UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED); } } } finally { // 唤醒等待中的线程 finishCompletion(); } return true; }
核心方法终于分析完了,到这我们喝口茶休息一下吧
我是想说,使用 FutureTask 来演练烧水泡茶经典程序
如上图:
最终泡茶
让我心算一下,若是串行总共须要 20 分钟,但很显然在烧开水期间,咱们能够洗茶壶/洗茶杯/拿茶叶
这样总共须要 16 分钟,节约了 4分钟时间,烧水泡茶尚且如此,在如今高并发的时代,4分钟能够作的事太多了,学会使用 Future 优化程序是必然(其实优化程序就是寻找关键路径,关键路径找到了,非关键路径的任务一般就能够和关键路径的内容并行执行了)
@Slf4j public class MakeTeaExample { public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2); // 建立线程1的FutureTask FutureTask<String> ft1 = new FutureTask<String>(new T1Task()); // 建立线程2的FutureTask FutureTask<String> ft2 = new FutureTask<String>(new T2Task()); executorService.submit(ft1); executorService.submit(ft2); log.info(ft1.get() + ft2.get()); log.info("开始泡茶"); executorService.shutdown(); } static class T1Task implements Callable<String> { @Override public String call() throws Exception { log.info("T1:洗水壶..."); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); log.info("T1:烧开水..."); TimeUnit.SECONDS.sleep(15); return "T1:开水已备好"; } } static class T2Task implements Callable<String> { @Override public String call() throws Exception { log.info("T2:洗茶壶..."); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); log.info("T2:洗茶杯..."); TimeUnit.SECONDS.sleep(2); log.info("T2:拿茶叶..."); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); return "T2:福鼎白茶拿到了"; } } }
上面的程序是主线程等待两个 FutureTask 的执行结果,线程1 烧开水时间更长,线程1但愿在水烧开的那一刹那就能够拿到茶叶直接泡茶,怎么半呢?
那只须要在线程 1 的FutureTask 中获取 线程 2 FutureTask 的返回结果就能够了,咱们稍稍修改一下程序:
@Slf4j public class MakeTeaExample1 { public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2); // 建立线程2的FutureTask FutureTask<String> ft2 = new FutureTask<String>(new T2Task()); // 建立线程1的FutureTask FutureTask<String> ft1 = new FutureTask<String>(new T1Task(ft2)); executorService.submit(ft1); executorService.submit(ft2); executorService.shutdown(); } static class T1Task implements Callable<String> { private FutureTask<String> ft2; public T1Task(FutureTask<String> ft2) { this.ft2 = ft2; } @Override public String call() throws Exception { log.info("T1:洗水壶..."); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); log.info("T1:烧开水..."); TimeUnit.SECONDS.sleep(15); String t2Result = ft2.get(); log.info("T1 拿到T2的 {}, 开始泡茶", t2Result); return "T1: 上茶!!!"; } } static class T2Task implements Callable<String> { @Override public String call() throws Exception { log.info("T2:洗茶壶..."); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); log.info("T2:洗茶杯..."); TimeUnit.SECONDS.sleep(2); log.info("T2:拿茶叶..."); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); return "福鼎白茶"; } } }
来看程序运行结果:
知道这个变化后咱们再回头看 ExecutorService 的三个 submit 方法:
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result); Future<?> submit(Runnable task); <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
第一种方法,逐层代码查看到这里:
你会发现,和咱们改造烧水泡茶的程序思惟是类似的,能够传进去一个 result,result 至关于主线程和子线程之间的桥梁,经过它主子线程能够共享数据
第二个方法参数是 Runnable 类型参数,即使调用 get() 方法也是返回 null,因此仅是能够用来断言任务已经结束了,相似 Thread.join()
第三个方法参数是 Callable 类型参数,经过get() 方法能够明确获取 call() 方法的返回值
到这里,关于 Future 的整块讲解就结束了,仍是须要简单消化一下的
若是熟悉 Javascript 的朋友,Future 的特性和 Javascript 的 Promise 是相似的,私下开玩笑一般将其比喻成男友的承诺
回归到Java,咱们从 JDK 的演变历史,谈及 Callable 的诞生,它弥补了 Runnable 没有返回值的空缺,经过简单的 demo 了解 Callable 与 Future 的使用。 FutureTask 又是 Future接口的核心实现类,经过阅读源码了解了整个实现逻辑,最后结合FutureTask 和线程池演示烧水泡茶程序,相信到这里,你已经能够轻松获取线程结果了
烧水泡茶是很是简单的,若是更复杂业务逻辑,以这种方式使用 Future 一定会带来很大的会乱(程序结束没办法主动通知,Future 的连接和整合都须要手动操做)为了解决这个短板,没错,又是那个男人 Doug Lea, CompletableFuture
工具类在 Java1.8 的版本出现了,搭配 Lambda 的使用,让咱们编写异步程序也像写串行代码那样简单,纵享丝滑
接下来咱们就了解一下 CompletableFuture
的使用
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