概述

在使用java多线程解决问题的时候，为了提高效率，我们常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。FutureTask类实现了Runnable, Future接口，接下来我会通过源码对该类的实现进行详解。

使用

我们先看下FutureTask中的主要方法如下，可以看出FutureTask实现了任务及异步结果的集合功能。看到这块的方法，大家肯定会有疑问，Runnable任务的run方法返回空，FutureTask如何依靠该方法获取线程异步执行结果，这个问题，我们在下面给大家介绍。

//以下五个方法实现接口Future中方法public boolean isCancelled(); public boolean isDone(); public boolean cancel();public V get() throws InterruptedException, ExecutionException;public V get(long timeout, TimeUnit unit);//实现接口Runnable中方法public void run();

我们在使用中会构造一个FutureTask对象，然后将FutureTask扔到另一个线程中执行，而主线程继续执行其他业务逻辑，一段时间后主线程调用FutureTask的get方法获取执行结果。下面我们看一个简单的例子：

/*** Created by yuanqiongqiong on 2019/4/9.*/public class FutureTaskTest {private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);public static void main(String []args) {Callable callable = new AccCallable(1, 2);FutureTask futureTask = new FutureTask(callable);executorService.execute(futureTask);System.out.println("go to do other things in main thread");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("go back in main thread");try {int result = (int) futureTask.get();System.out.println("result is " + result);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} catch (ExecutionException e) {e.printStackTrace();}}static class AccCallable implements Callable<Integer> {private int a;private int b;public AccCallable(int a, int b) {this.a = a;this.b = b;}@Overridepublic Integer call() throws Exception {System.out.println("acc a and b in threadId = " + Thread.currentThread().getName());return a + b;}}}

输出结果为：

go to do other things in main threadacc a and b in threadId = pool-1-thread-1go back in main threadresult is 3

实现分析

在分析实现前，我们先想下如果让我们实现一个类似FutureTask的功能，我们会如何做？因为需要获取执行结果，需要一个Object对象来存执行结果。任务执行时间不可控性，我们需要一个变量表示执行状态。其他线程会调用get方法获取结果，在没达到超时的时候需要将线程阻塞或挂起。

因此需要一个队列类似的结构存储等待该结果的线程信息，这样在任务执行线程完成后就可以唤醒这些阻塞或挂起的线程，得到结果。FutureTask的实际实现也是类似的逻辑，具体如下。

首先看下FutureTask的主要成员变量如下：

//futureTask执行状态private volatile int state;//具体的执行任务，会在run方法中抵用callable.call()private Callable<V> callable;//执行结果private Object outcome; //获取结果的等待线程节点private volatile WaitNode waiters;

对于执行状态，在源码中已经有了非常清晰的解释，这里我只是贴出源码，不在进行说明，具体如下：

/*** Possible state transitions:* NEW -> COMPLETING -> NORMAL* NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL* NEW -> CANCELLED* NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED*/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;

然后我们看下FutureTask的构造函数，如下：

public FutureTask(Callable<V> callable) {if (callable == null)throw new NullPointerException();this.callable = callable;this.state = NEW; // ensure visibility of callable}public FutureTask(Runnable runnable, V result) {//构造函数传入runnable对象时调用静态工具类Executors的方法转换为一个callable对象this.callable = Executors.callable(runnable, result);this.state = NEW; // ensure visibility of callable}

如前所述，FutureTask的执行线程中会调用其run()方法执行任务，我们看下这块逻辑：

public void run() {//1.如果执行状态不是NEW或者有其他线程执行该任务，直接返回if (state != NEW ||!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,null, Thread.currentThread()))return;try {Callable<V> c = callable;//2.如果执行状态是NEW,即任务还没执行，直接调用callable.call()方法获取执行结果if (c != null && state == NEW) {V result;boolean ran;try {result = c.call();ran = true;} catch (Throwable ex) {result = null;ran = false;//3.发生异常，更新status为EXCEPTIONAL，唤醒挂起线程setException(ex);}//4.如果结果成功返回，调用set方法将设置outcome，更改status执行状态，唤醒挂起线程if (ran)set(result);}} finally {// runner must be non-null until state is settled to// prevent concurrent calls to run()runner = null;// state must be re-read after nulling runner to prevent// leaked interruptsint s = state;if (s >= INTERRUPTING)handlePossibleCancellationInterrupt(s);}}

我们看下set函数的实现，具体看下4中的执行：

protected void set(V v) {//将执行状态变更为COMPLETINGif (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {//设置执行结果outcome = v;//设置执行状态为NORMALUNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state//执行完成后处理操作，具体就是遍历阻塞链表，删除链表节点，并唤醒每个节点关联的线程finishCompletion();}}

以上就是任务执行线程做的逻辑，以上逻辑也回答了FutureTask如何得到执行结果的疑问。下面我们看下用户调用get方法获取执行结果时的实现逻辑，这个时候FutureTask可能处理各种状态，即可能没有执行，执行中，已完成，发生异常等，具体如下：

public V get(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {if (unit == null)throw new NullPointerException();int s = state;//执行状态是NEW或者COMPLETING时执行awaitDone将线程加入等待队列中并挂起线程if (s <= COMPLETING &&(s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)throw new TimeoutException();//根据执行状态status进行结果封装return report(s);}//我理解这块是get的核心逻辑private int awaitDone(boolean timed, long nanos)throws InterruptedException {//如果设置了超时时间，计算还有多长时间超时final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;WaitNode q = null;boolean queued = false;for (;;) {//如果当前线程被中断，删除等待队列中的节点，并抛出异常if (Thread.interrupted()) {removeWaiter(q);throw new InterruptedException();}int s = state;//如果执行状态已经完成或者发生异常，直接跳出自旋返回if (s > COMPLETING) {if (q != null)q.thread = null;return s;}//如果执行状态是正在执行，说明线程已经被加入到等待队列中，放弃cpu进入下次循环(真正的自旋)else if (s == COMPLETING) // cannot time out yetThread.yield();//第一次进入循环，创建节点else if (q == null)q = new WaitNode();//将节点加入到等待队列中，waiters相当于头阶段，不断将头结点更新为新节点else if (!queued)queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,q.next = waiters, q);else if (timed) {//如果设置了超时时间，在进行下次循环前查看是否已经超时，如果超时删除该节点进行返回nanos = deadline - System.nanoTime();if (nanos <= 0L) {removeWaiter(q);return state;}//挂起当前节点LockSupport.parkNanos(this, nanos);}elseLockSupport.park(this);}}

这里需要说明一点，FutureTask中的阻塞队列新加入的节点都在头结点并且next指向之前的头结点，waitars指针总是指向新加入节点，通过waitars可以遍历整个等待队列，具体截图如下。此外等待队列节点结构很简单成员变量只有线程引用和next指针，这里再列出器接口。

futureTask等待队列

读到这里，相信大家已经对FutureTask的实现细节有了一定的认识。此外，FutureTask没有使用锁而是使用Unsafe的是CAS的原子操作来解决竞争问题，减少了锁带来的上下文切换的开销，提高了效率。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。