FutureTask使用与实现原理(超详解)

FutureTask使用与实现原理(超详解)-mikechen

在使用java多线程解决问题的时候为了提高效率，我们常会异步处理一些计算任务并在最后异步的获取计算结果，这个过程的实现离不开Future接口及其实现类FutureTask。

下面我就重点讲解Java线程池的的FutureTask的使用与实现原理@mikechen

FutureTask介绍

FutureTask是java5引入的一个类，从名字可以看出来FutureTask既是一个Future，又是一个Task,。

FutureTask实现了Future接口，完成了对Future接口的基本实现,除了实现了Future接口以外，FutureTask还实现了Runnable接口，代码定义如下：

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

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

因此，FutureTask具备了Runnable和Future的所有特性，可以交给 Executor执行，也可以由调用线程直接执行（FutureTask.run()）。

FutureTask应用场景

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。

FutureTask实现

FutureTask的老版本实现是基于AQS，这样会有一个缺点，当多个线程对同一个FutureTask执行cancel的时候，FutureTask会把中断状态保留起来，让调用方感到奇怪。

所以，FutureTask的新版本实现修改为用state字段+CAS操作进行同步控制，再用简化版的Treiber栈保存等待线程，虽然FutureTask没有使用AQS，但是其实现原理非常类似于AQS。

1. 用一个volatile int state变量作为同步状态

AQS中也有state，但AQS不会使用在state中保存的内容，只是对它执行CAS操作，看是否成功而已。

与AQS不同，FutureTask需要用到state变量中的内容，state所有可能的取值有7个，分别如下：

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

...

    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;

...

    public FutureTask(Callable<V> callable) {

        if (callable == null)

            throw new NullPointerException();

        this.callable = callable;

        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable

    }

...

}

NEW = 0; 初始状态，FutureTask刚被创建，正在计算中都是该状态。
COMPLETING = 1; 中间状态，表示计算已完成正在对结果进行赋值，或正在处理异常
NORMAL = 2; 终止状态，表示计算已完成，结果已经被赋值。
EXCEPTIONAL = 3; 终止状态，表示计算过程已经被异常打断。
CANCELLED = 4; 终止状态，表示计算过程已经被cancel操作终止。
INTERRUPTING = 5; 中间状态，表示计算过程已开始并且被中断，正在修改状态。
INTERRUPTED = 6; 终止状态，表示计算过程已开始并且被中断，目前已完全停止。

可能的状态过渡：

1、NEW -> COMPLETING -> NORMAL：正常结束
2、NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL：异常结束
3、NEW -> CANCELLED：任务被取消
4、NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED：任务出现中断

在FutureTask中，state只会被set(), setException()，cancel()修改为终止状态（NORMAL, EXCEPTIONAL, CANCELED, INTERRUPTED）。

要注意是这个state变量被声明为volatile，不仅保证了它自己的可见性，还保证了FutureTask类其他成员属性的可见性。

2. 用一个Treiber栈保存等待线程

Treiber栈是一个无锁数据结构，FutureTask中的waiters变量指向这个栈的栈顶，名字有点吓人，其实很简单，就是一个无锁的线程安全的栈。

入栈操作只通过一步CAS操作实现，即修改栈顶指针waiters，出栈和在栈的中间执行删除操作通过特定的循环操作实现。