解析Java異步之call future
一、概述
我們大家都知道，在 Java 中創(chuàng)建線程主要有三種方式：
- 繼承 Thread 類；
- 實現(xiàn) Runnable 接口；
- 實現(xiàn) Callable 接口。
而后兩者的區(qū)別在于 Callable 接口中的 call() 方法可以異步地返回一個計算結果 Future，并且一般需要配合ExecutorService 來執(zhí)行。這一套操作在代碼實現(xiàn)上似乎也并不難，可是對于call()方法具體怎么（被ExecutorService）執(zhí)行的，以及 Future 這個結果是怎么獲取的，卻又不是很清楚了。
那么本篇文章，我們就一起來學習下 Callable 接口以及 Future 的使用，主要面向兩個問題：
- 承載著具體任務的 call() 方法如何被執(zhí)行的？
- 任務的執(zhí)行結果如何得到？
你可能會說，這兩個難道不是一個問題嗎？任務執(zhí)行了就會有返回結果，而返回結果也一定是任務執(zhí)行了才返回的，難道還能返回一個其他任務的結果么？？不要著急，耐心的看下去，你就會發(fā)現(xiàn)，這兩個還真的就是一個問題。
本文將分為兩個部分，第一部分分別介紹 任務、執(zhí)行、以及結果這三個概念在 Java API 中的實體和各自的繼承關系，第二部分通過一個簡單的例子回顧他們的用法，再理解下這兩個問題的答案。
二、Callable、Executor 與 Future
既然是一個任務被執(zhí)行并返回結果，那么我們先來看看具體的任務，也就是 Callable 接口。
2.1、任務：Callable
非常簡單，只包含一個有泛型返回值的 call() 方法，需要在最后返回定義類型的結果。如果任務沒有需要返回的結果，那么將泛型 V 設為 void 并return null;就可以了。對比的是 Runnable，另一個明顯的區(qū)別則是 Callable可以拋出異常。
public interface Callable<V> {
V call() throws Exception;
}
public interface Runnable {
public abstract void run();
}
2.2、執(zhí)行：ExecutorService
說到線程就少不了線程池，而說到線程池肯定離不開 Executor 接口。下面這幅圖是 Executor 的框架，我們常用的是其中的兩個具體實現(xiàn)類 ThreadPoolExecutor 以及 ScheduledThreadPoolExecutor，在 Executors 類中通過靜態(tài)方法獲取。Executors 中包含了線程池以及線程工廠的構造，與 Executor 接口的關系類似于 Collection 接口和 Collections 類的關系。
那么我們自頂向下，從源碼上了解一下 Executor 框架，學習學習任務是如何被執(zhí)行的。首先是 Executor 接口，其中只定義了 execute() 方法。
public interface Executor {
void execute(Runnable command);
}
ExecutorService 接口繼承了 Executor 接口，主要擴展了一系列的 submit() 方法以及對 executor 的終止和判斷狀態(tài)。以第一個<T> Future<T> submit(Callable<T> task);為例，其中 task 為用戶定義的執(zhí)行的異步任務，F(xiàn)uture 表示了任務的執(zhí)行結果，泛型 T 代表任務結果的類型。
public interface ExecutorService extends Executor {
void shutdown(); // 現(xiàn)有任務完成后停止線程池
List<Runnable> shutdownNow(); // 立即停止線程池
boolean isShutdown(); // 判斷是否已停止
boolean isTerminated();
<T> Future<T> submit(Callable<T> task); // 提交Callale任務
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);
// 針對Callable集合的invokeAll()等方法
}
抽象類AbstractExecutorService 是 ThreadPoolExecutor 的基類，在下面的代碼中，它實現(xiàn)了ExecutorService 接口中的 submit() 方法。注釋中是對應的 newTaskFor() 方法的代碼，非常簡單，就是將傳入的Callable 或 Runnable 參數(shù)封裝成一個 FutureTask 對象。
// 1.第一個重載方法，參數(shù)為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.第二個重載方法，參數(shù)為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.第三個重載方法，參數(shù)為Runnable + 返回對象
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;
}
那么也就是說，無論傳入的是 Callable 還是 Runnable，submit() 方法其實就做了三件事
具體來說，submit() 中首先生成了一個 RunnableFuture 引用的 FutureTask 實例，然后調用 execute() 方法來執(zhí)行它，那么我們可以推測 FutureTask 繼承自 RunnableFuture，而 RunnableFuture 又實現(xiàn)了 Runnable，因為execute() 的參數(shù)應為 Runnable 類型。上面還涉及到了 FutureTask 的構造函數(shù)，也來看一下。
public FutureTask(Callable<V> callable) {
this.callable = callable;
this.state = NEW;
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
this.callable = Executors.callable(runnable, result); // 通過適配器將runnable在call()中執(zhí)行并返回result
this.state = NEW;
}
FutureTask 共有兩個構造方法。第一個構造方法比較簡單，對應上面的第一個 submit()，采用組合的方式封裝Callable 并將狀態(tài)設為NEW；而第二個構造方法對應上面的后兩個 submit() 重載，不同之處是首先使用了Executors.callable來將 Runnable 和 result 組合成 Callable，這里采用了適配器RunnableAdapter implements Callable，巧妙地在 call() 中執(zhí)行 Runnable 并返回結果。
static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
final Runnable task;
final T result; // 返回的結果；顯然：需要在run()中賦值
RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
this.task = task;
this.result = result;
}
public T call() {
task.run();
return result;
}
}
在適配器設計模式中，通常包含**目標接口 Target、適配器 Adapter 和被適配者 Adaptee **三類角色，其中目標接口代表客戶端（當前業(yè)務系統(tǒng)）所需要的功能，通常為借口或抽象類；被適配者為現(xiàn)存的不能滿足使用需求的類；適配器是一個轉換器，也稱 wrapper，用于給被適配者添加目標功能，使得客戶端可以按照目標接口的格式正確訪問。對于 RunnableAdapter 來說，Callable 是其目標接口，而 Runnable 則是被適配者。RunnableAdapter 通過覆蓋 call() 方法使其可按照 Callable 的要求來使用，同時其構造方法中接收被適配者和目標對象，滿足了 call() 方法有返回值的要求。
那么總結一下 submit() 方法執(zhí)行的流程，就是：Callable 被封裝在 Runnable 的子類中傳入 execute() 得以執(zhí)行。
2.3、結果：Future
要說 Future 就是異步任務的執(zhí)行結果其實并不準確，因為它代表了一個任務的執(zhí)行過程，有狀態(tài)、可以被取消，而 get() 方法的返回值才是任務的結果。
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;
}
我們在上面中還提到了 RuunableFuture 和 FutureTask。從官方的注釋來看，RuunableFuture 就是一個可以 run的 future，實現(xiàn)了 Runnable 和 Future 兩個接口，在 run() 方法中執(zhí)行完計算時應該將結果保存起來以便通過 get()獲取。
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 直接實現(xiàn)了 RunnableFuture 接口，作為執(zhí)行過程，共有下面這幾種狀態(tài)，其中 COMPLETING 為一個暫時狀態(tài)，表示正在設置結果或異常，對應的，設置完成后狀態(tài)變?yōu)?NORMAL 或 EXCEPTIONAL；CANCELLED、INTERRUPTED 表示任務被取消或中斷。在上面的構造方法中，將 state 初始化為 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 的主要內容，主要是 run() 和 get()。注意 outcome 的注釋，無論是否發(fā)生異常返回的都是這個 outcome，因為在執(zhí)行中如果執(zhí)行成功就將結果設置給了它（set()），而發(fā)生異常時將異常賦給了他（setException()），而在獲取結果時也都返回了 outcome（通過report()）。
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
private Callable<V> callable; // target，待執(zhí)行的任務
/** 保存執(zhí)行結果或異常，在get()方法中返回/拋出 */
private Object outcome; // 非volatile，通過CAS保證線程安全
public void run() {
......
Callable<V> c = callable;
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
result = c.call(); // 調用call()執(zhí)行用戶任務并獲取結果
ran = true; // 執(zhí)行完成，ran置為true
} catch (Throwable ex) { // 調用call()出現(xiàn)異常，而run()方法繼續(xù)執(zhí)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); // 加入隊列等待COMPLETING完成，可響應超時、中斷
return report(s);
}
public V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
// 超時等待
}
private V report(int s) throws ExecutionException {
Object x = outcome;
if (s == NORMAL) // 將outcome作為執(zhí)行結果返回
return (V)x;
if (s >= CANCELLED)
throw new CancellationException();
throw new ExecutionException((Throwable)x); // 將outcome作為捕獲的返回
}
}
FutureTask 實現(xiàn)了 RunnableFuture 接口，所以有兩方面的作用。
- 第一，作為 Runnable 傳入 execute() 方法來執(zhí)行，同時封裝 Callable 對象并在 run() 中調用其 call() 方法；
- 第二，作為 Future 管理任務的執(zhí)行狀態(tài)，將 call() 的返回值保存在 outcome 中以通過 get() 獲取。這似乎就能回答開頭的兩個問題，并且渾然天成，就好像是一個問題，除非發(fā)生異常的時候返回的不是任務的結果而是異常對象。
總結一下繼承關系：
三、使用舉例
文章的標題有點唬人，說到底還是講 Callable 的用法?，F(xiàn)在我們知道了 Future 代表了任務執(zhí)行的過程和結果，作為 call() 方法的返回值來獲取執(zhí)行結果；而 FutureTask 是一個 Runnable 的 Future，既是任務執(zhí)行的過程和結果，又是 call 方法最終執(zhí)行的載體。下面通過一個例子看看他們在使用上的區(qū)別。
首先創(chuàng)建一個任務，即定義一個任務類實現(xiàn) Callable 接口，在 call() 方法里添加我們的操作，這里用耗時三秒然后返回 100 模擬計算過程。
class MyTask implements Callable<Integer> {
@Override
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("子線程開始計算...");
for (int i=0;i<3;++i){
Thread.sleep(1000);
System.out.println("子線程計算中，用時 "+(i+1)+" 秒");
}
System.out.println("子線程計算完成，返回：100");
return 100;
}
}
然后呢，創(chuàng)建一個線程池，并實例化一個 MyTask 備用。
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool(); MyTask task = new MyTask();
現(xiàn)在，分別使用 Future 和 FutureTask 來獲取執(zhí)行結果，看看他們有什么區(qū)別。
3.1、使用Future
Future 一般作為 submit() 的返回值使用，并在主線程中以阻塞的方式獲取異步任務的執(zhí)行結果。
System.out.println("主線程啟動線程池");
Future<Integer> future = executor.submit(task);
System.out.println("主線程得到返回結果："+future.get());
executor.shutdown();
看看輸出結果：
主線程啟動線程池
子線程開始計算...
子線程計算中，用時 1 秒
子線程計算中，用時 2 秒
子線程計算中，用時 3 秒
子線程計算完成，返回：100
主線程得到返回結果：100
由于 get() 方法阻塞獲取結果，所以輸出順序為子線程計算完成后主線程輸出結果。
3.2、使用FutureTask
由于 FutureTask 集任務與結果于一身，所以我們可以使用 FutureTask 自身而非返回值來管理任務，這需要首先利用 Callable 對象來構造 FutureTask，并調用不同的submit()重載方法。
System.out.println("主線程啟動線程池");
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(task);
executor.submit(futureTask); // 作為Ruunable傳入submit()中
System.out.println("主線程得到返回結果："+futureTask.get()); // 作為Future獲取結果
executor.shutdown();
這段程序的輸出與上面中完全相同，其實兩者在實際執(zhí)行中的區(qū)別也不大，雖然前者調用了submit(Callable<T> task)而后者調用了submit(Runnable task)，但最終都通過execute(futuretask)來把任務加入線程池中。
四、總結
上面大費周章其實只是盡可能細致地講清楚了 Callable 中的任務是如何執(zhí)行的，總結起來就是：
線程池中，submit() 方法實際上將 Callable 封裝在 FutureTask 中，將其作為 Runnable 的子類傳給 execute()真正執(zhí)行；FutureTask 在 run() 中調用 Callable 對象的 call() 方法并接收返回值或捕獲異常保存在Object outcome中，同時管理執(zhí)行過程中的狀態(tài)state；FutureTask 同時作為 Future 的子類，通過 get() 返回任務的執(zhí)行結果，若未執(zhí)行完成則通過等待隊列進行阻塞等待完成；
FutureTask 作為一個 Runnable 的 Future，其中最重要的兩個方法如下。
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