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解开Future的神秘面纱之获取结果

前言

  在前面的两篇博文中,已经介绍利用FutureTask任务的执行流程,以及利用其实现的cancel方法取消任务的情况。本篇就来介绍下,线程任务的结果获取。

利用get方法获取程序运行结果

  我们知道利用Future接口的最重要的操作就是要获取任务的结果,而此操作对应的方法就是get。但是问题来了,如果我调用get方法的时候,任务还没有完成呢?答案就是,等它完成,当前线程将被阻塞,直到任务完成(注意,这里说的完成,指的是任务结束,因为异常而结束也算),get方法返回。主线程(不是执行任务的线程)才被唤醒,然后继续运行。

 

灵活的get方法

  有人可能会问,如果我调用get方法的时候,任务离完成还需要很长时间,那么我主线程不是会浪费一些时间?是的,如果主线程比较忙的话,这样确实主线程的效率。不过还有一个有参的get方法,此方法以等待时长为参数,如果时长结束,任务还没完成,主线程将继续执行,然后会在之后的某个时间再来获取任务结果。(当然如果主线程依赖这个任务结果才能继续执行,那么只能老老实实地等了

FutureTask的阻塞模型

  要想了解get方法的具体实现,必须先弄清楚,它是如何阻塞的。前篇博文已经提到,FutureTask有类型为WaitNode字段waiters,实际上这个waiters引用的是一个以WaitNode为节点的单向链表的头节点。如图所示:

waitNode类代码如下:

static final class WaitNode { volatile Thread thread; //线程 volatile WaitNode next; //下一个节点 //构造函数获取当前执行线程的引用 WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }}

WaitNode保留线程引用的作用是什么?

答案是用于任务完成后唤醒等待线程。当FutureTask执行完callable的run方法后,将执行finishCompletion方法通知所有等待线程

private void finishCompletion() { //遍历等待节点 for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) { //将FutureTask的waiters引用置null if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) { //唤醒所有等待线程 for (;;) { //取出节点对应的线程 Thread t = q.thread; if (t != null) { q.thread = null; LockSupport.unpark(t); //唤醒对应线程 } //获取下一个节点 WaitNode next = q.next; if (next == null) break; q.next = null; // unlink to help gc q = next; } break; } } //调用钩子函数done,此为空方法,子类可根据需求进行实现 done(); callable = null; }

线程的阻塞方式——park和unPark

  park/unPark也是用于控制线程等待状态的。我们熟悉的,用于控制线程等待状态的还有wait/notify。wait/notify是某个对象的条件队列,要阻塞线程,或者说要加入等待队列,必须先获取对象的锁。

       与wait()/notify不同的是,park和unpark直接操作线程,无需获取对象的锁,个人认为这是这里使用park/unPark,而不是wait/notifyAll的原因,因为获取锁需要额外的开销

get方法的具体实现

以下是FutureTask中get方法的实现

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException { //获取当前任务状态 int s = state; //如果是NEW或者COMPLETING,也就是还没有结束,就调用awaitDone进行阻塞 if (s <= COMPLETING) s = awaitDone(false, 0L); //注意,这里的参数,表示非超时等待,如果任务未结束,程序将一直卡在这里 //如果awaitDone返回,也就是任务已经结束,根据任务状态,返回结果 return report(s);}

以下是get方法中调用到的awaitDone的实现

private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException { //根据超时时间,计算结束时间点 final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; //等待节点 WaitNode q = null; //是否加入等待队列 boolean queued = false; //这里并不是通过自旋,使方法无法返回。而是利用自旋CAS, 改变状态。如果成功,一次就够了 for (;;) { //如果此线程被中断,把从节点从等待队列中移除 if (Thread.interrupted()) { removeWaiter(q); throw new InterruptedException(); } int s = state; //如果状态大于COMPLETING,也就是任务已结束,返回任务状态 if (s > COMPLETING) { if (q != null) q.thread = null; return s; } else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet Thread.yield(); //第一次循环,q是null,创建节点 else if (q == null) q = new WaitNode(); //如果还未加入等待队列,就加入 else if (!queued) //q.next = waiters 表达式的返回值 是左侧的值,也就是waiters //意思是,如果当前对象的waiters的值是waiters, 就将他赋值为q queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q.next = waiters, q); //如果是超时等待,则调用parkNanos, 线程将在指定时间后被唤醒 else if (timed) { nanos = deadline - System.nanoTime(); if (nanos <= 0L) { removeWaiter(q); return state; } LockSupport.parkNanos(this, nanos); } //如果不是超时等待,且已经加入等待队列,这时候利用park将当前线程挂起 else LockSupport.park(this); }}

很多人可能会觉得这个循环体,看着有点迷糊,我刚开始也看得头大。但是我们可以根据几种情境,来查看这几种情境下代码的执行情况。

注:第二个for循环内,第二个if-else块是一个大块,每次只执行一个。

几种执行情境

一、当前线程成功加入等待队列,且被阻塞,一段时间后任务完成,线程被唤醒

 

 

二、当前线程加入队列后,还没被阻塞,任务就已经完成了

三、因为其他线程加入等待队列的影响,当前线程未能加入等待队列

这里说明一下,如果其他线程在此线程之前,比较接近的时间,加入了等待队列,由于内存可见性的原因,当前线程看到的waiters值没有及时改变,故与其实际值不同,CAS操作就将失败。

为什么一定要CAS成功?答案是,如果不成功,出现线程安全问题,链表的结构就会一塌糊涂。这里不细谈。

 

根据任务状态获取结果

   我们已经知道,FutureTask有一个Object字段的outcome,也就是任务执行的结果。当任务完成后,会将结果赋值给它。以下是FutureTask的run方法:

public void run() { //任务开始执行后,设置FutureTask的runner字段,指明执行它的线程 if (state != NEW ||!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,null, Thread.currentThread())) return; try { //获取具体任务 Callable<V> c = callable; if (c != null && state == NEW) { V result; boolean ran; //任务是否已被运行完 try { //运行任务 result = c.call(); ran = true; } catch (Throwable ex) { result = null; //如果运行任务过程中出现异常,则ran=false 表示没有运行完成 ran = false; //设置异常 => 将任务状态设置为异常,并将异常信息赋值给outcome, 也就是任务结果 //这个方法会调用finishCompletion setException(ex); } //如果运行完成,把结果赋值给outcome if (ran) set(result); //这个方法会调用finishCompletion } } finally { //既然线程已经"完成"当前任务,就放弃引用,防止影响它执行其他任务 runner = null; //重新获取任务状态 int s = state; if (s >= INTERRUPTING) handlePossibleCancellationInterrupt(s); }}

由前文可知,当任务"完成"的时候,获取结果的线程将被唤醒。回到get方法,它将获取到任务的状态,并根据任务状态获取结果。也就是report方法:

private V report(int s) throws ExecutionException { //获取结果 Object x = outcome; //如果任务正常完成 if (s == NORMAL) //强制转换为对应类型并返回 return (V)x; //如果任务状态为CANCELLED、INTERRUPTING、INTERRUPTED表明是通过cacel方法取消了 //返回已取消异常 if (s >= CANCELLED) throw new CancellationException(); //如果是因为异常中断的话,抛出具体异常信息 throw new ExecutionException((Throwable)x);}

 

欢迎阅读本文章: 庹华忠

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