多线程与高并发——并发编程（8）

八、异步编程

1 FutureTask应用&源码分析

1.1 FutureTask介绍

• FutureTask 是一个可以取消一部任务的类，FutureTask 对 Future 做了一个基本实现，可以调用方法去开始和取消一个任务，一般是配合 Callable 使用。
• 异步任务启动之后，可以获取一个绑定当前异步任务的 FutureTask。
• 可以基于 FutureTask 的方法去取消任务、查看任务是否有结果，以及获取任务的返回结果。
• FutureTask内部的整体结构中，实现了 RunnableFuture 接口，RunnableFuture 这个接口又继承了 Runnable、Future 这两个接口，所以 FutureTask 也可以作为任务直接交给线程池去处理。

1.2 FutureTask应用

大方向是 FutureTask 对任务的控制：

• 任务执行过程中状态的控制；
• 任务执行完毕后，返回结果的获取。

FutureTask 的任务在执行 run 方法后，是无法被再次运行的，需要使用 runAndReset 方法才可以。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 构建FutureTask，基于泛型执行返回结果类型
    // 在有参构造中，声明Callable或者Runnable指定任务
    FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(() -> {
        System.out.println("任务开始执行……");
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("任务执行完毕……");
        return "OK!";
    });

    // 构建线程池
    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

    // 线程池执行任务
    service.execute(futureTask);

    // 1. 对任务状态的控制
//        System.out.println("任务结束了么？：" + futureTask.isDone());
//        Thread.sleep(1000);
//        System.out.println("任务结束了么？：" + futureTask.isDone());
//        Thread.sleep(1000);
//        System.out.println("任务结束了么？：" + futureTask.isDone());

    // 2. 对返回结果的获取，类似阻塞队列的take方法，死等结果
//        try {
//            String s = futureTask.get();
//            System.out.println("任务结果：" + s);
//        } catch (ExecutionException e) {
//            e.printStackTrace();
//        }
    // 3. 对返回结果的获取，类似阻塞队列的poll方法
    // 如果在指定时间内，没有拿到方法的返回结果，直接扔TimeoutException
//        try {
//            String s = futureTask.get(3000, TimeUnit.MILLISECONDS);
//            System.out.println("返回结果：" + s);
//        } catch (Exception e) {
//            System.out.println("异常返回：" + e.getMessage());
//            e.printStackTrace();
//        }

    // 4. futureTask提供了run方法，一般不会自己去调用run方法，而是让线程池去执行任务，由线程池去执行run方法
    // run方法在执行时，是有任务状态的。任务已经执行了，再次调用run方法无效的。
    // 如果希望任务可以反复被执行，需要去调用runAndReset方法
//        futureTask.run();
}

1.3 FutureTask源码分析

• 查看FutureTask 的源码，要从几个方向去看：
  • 先查看 FutureTask 中提供的一些状态；
  • 再查看任务的执行过程

1.3.1 FutureTask中的核心属性

• 首先弄清楚任务的状态流转是怎样的，其次对于核心属性要知道是干嘛的。

/**
 FutureTask的核心属性
 FutureTask任务的状态流转
 * NEW -> COMPLETING -> NORMAL           任务正常执行，并且返回结果也正常返回
 * NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL      任务正常执行，但是结果是异常
 * NEW -> CANCELLED                      任务被取消   
 * NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED    任务被中断
 */
// 记录任务的状态
private volatile int state;
// 任务被构建之后的初始状态
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;

// 需要执行任务，会被赋值到这个属性
private Callable<V> callable;
// 任务的任务结果要存储在这几个属性中
private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes
// 执行任务的线程
private volatile Thread runner;
// 等待返回结果的线程Node对象
private volatile WaitNode waiters;
static final class WaitNode {
    volatile Thread thread;
    volatile WaitNode next;
    WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}

1.3.2 FutureTask的run方法

• 任务执行前的一些判读，以及调用任务封装结果的方式，还有最后的一些后续处理。

// 当线程池执行FutureTask任务时，会调用的方法
public void run() {
   
    // 如果当前任务状态不是NEW，直接return告辞
    if (state != NEW ||  
        // 如果状态正确是NEW，这边需要基于CAS将runner属性设置为当前线程，如果CAS失败，直接return告辞
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread()))
        return;
    try {
   
        // 将要执行的任务拿到
        Callable<V> c = callable;
        // 健壮性判断，保证任务不是null，再次判断任务的状态是NEW（DCL）
        if (c != null && state == NEW) {
   
            // 执行任务
            // result：任务的返回结果
            // ran：如果为true，任务正常结束。 如果为false，任务异常结束。
            V result;
            boolean ran;
            try {
   
                result = c.call();	// 执行任务
                ran = true;			// 正常结果，ran设置为true
            } catch (Throwable ex) {
   
                // 如果任务执行期间出了异常，返回结果置为null
                result = null;
                ran = false;		// ran设置为false
                setException(ex);	// 封装异常结果
            }
            if (ran)
                set(result);		// 封装正常结果
        }
    } finally {
   
        runner = null;		// 将执行任务的线程置为null
        int s = state;		// 拿到任务的状态
        if (s >= INTERRUPTING)	// 如果状态大于等于INTERRUPTING
            // 进来代表任务中断，做一些后续处理
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}

1.3.3 FutureTask的set&setException方法

• 任务执行完毕后，修改任务的状态以及封装任务的结果

// 没有异常的时候，正常返回结果
protected void set(V v) {
   
    // 因为任务执行完毕，需要将任务的状态从NEW，修改为COMPLETING
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
   
        // 将返回结果赋值给 outcome 属性
        outcome = v;
        // 将任务状态变为NORMAL，正常结束
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL);
        // 一会再说……
        finishCompletion();
    }
}
// 任务执行期间出现了异常，这边要封装结果
protected void setException(Throwable t) {
   
    // 因为任务执行完毕，需要将任务的状态从NEW，修改为COMPLETING
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
   
        // 将异常信息封装到 outcome 属性
        outcome = t;
        // 将任务状态变为EXCEPTIONAL，异常结束
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); 
        // 一会再说……
        finishCompletion();
    }
}

1.3.4 FutureTask的cancel方法

• 任务取消的一个方式：
  • 任务直接从 NEW 状态转换为 CANCEL
  • 任务从 NEW 状态变为 INTERRUPTING，然后再转换为 INTERRUPTED

// 取消任务操作
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
   
    // 查看任务的状态是否是NEW，如果NEW状态，就基于传入的参数mayInterruptIfRunning
    // 决定任务是直接从NEW转换为CANCEL，还是从NEW转换为INTERRUPTING
    if (!(state == NEW && 
        UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
        return false;
    try {
      
        // 如果mayInterruptIfRunning为true，就需要中断线程
        if (mayInterruptIfRunning) {
   
            try {
   
                Thread t = runner;	// 拿到任务线程
                if (t != null)		// 如果线程不为null，直接interrupt   
                    t.interrupt();
            } finally {
    
                // 将任务状态设置为INTERRUPTED
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
            }
        }
    } finally {
   
        // 任务结束后的一些处理~~ 一会看~~
        finishCompletion();
    }
    return true;
}

1.3.5 FutureTask的get方法

• 这个是线程获取 FutureTask 任务执行结果的方法

// 拿任务结果
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
   
    // 获取任务的状态
    int s = state;
    // 要么是NEW，任务还没执行完；要么COMPLETING，任务执行完了，结果还没封装好
    if (s <= COMPLETING)
        s = awaitDone(false, 0L);	// 让当前线程阻塞，等待结果
    return report(s);				// 最终想要获取结果，需要执行report方法
}
// 线程等待FutureTask结果的过程
private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException {
   
    // 针对get方法传入了等待时长时，需要计算等到什么时间点
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    // 声明好需要的Node，queued：放到链表中了么
    WaitNode q = null;
    boolean queued = false;
    for (;;) {
   
        // 查看线程是否中断，如果中断，从等待链表中移除，甩个异常
        if (Thread.interrupted()) {
   
            removeWaiter(q);
            throw new InterruptedException();
        }
        int s = state;			// 拿到状态
        if (s > COMPLETING) {
   	// 到这，说明任务结束了
            if (q != null)
                // 如果之前封装了WaitNode，现在要清空
                q.thread = null;
            return s;
        }
        // 如果任务状态是COMPLETING，这就不需要去阻塞线程，让步一下，等待一小会，结果就有了
        else if (s == COMPLETING) 
            Thread.yield();
        else if (q == null)		// 如果还没初始化WaitNode，初始化
            q = new WaitNode();
        else if (!queued)		// 没放队列的话，直接放到waiters的前面
            queued = UNSAFE