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FutureTask

使用线程池的时候,只能传入Runnable接口的对象,而Runnable接口不能获得线程的返回值,所以需要使用callable接口,所以封装一个FutureTask对象,FutureTask继承与Runnable接口和Future接口,future接口的get方法可以获取到返回值。

FutureTask的初始化可以传入runnable接口 和 callable接口,如果传入runnable接口的话使用一个RunnableAdapter适配器变成callable接口(执行call方法,实际上执行的是runnable的run方法)
FutureTask 统一了 Runnnable 和 Callable,方便了我们后续对线程池的使用.
FutureTask对象内部维护了线程的状态、callable对象、outcome输出结果,WaitNode等待队列。

FutureTask 中等待任务返回结果的队列,都会进行等待队列里面,是一个单向队列,队列中每个结点都是WaitNode。 这个队列被当成线程安全的栈来使用的,出栈和入栈使用CAS来保证线程安全。

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;

    /** 要执行的任务,如果传入的是runnable,则会适配器成callable */
    private Callable<V> callable;
    /** 输出结果,可以通过get获得 */
    private Object outcome; 
    /** The thread running the callable; CASed during run() */
    private volatile Thread runner; 
    
    // 指向栈顶指针
    private volatile WaitNode waiters;

    static final class WaitNode {
        volatile Thread thread;// 等待的线程
        volatile WaitNode next;// next 指针
        WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
    }
}

run方法

FutureTask的run方法是线程执行的入口

  1. 如果当前线程不是new状态,说明已经被执行过了,所以直接退出;
  2. CAS设置当前线程为运行线程,失败则退出;
  3. 执行FutureTask.Callable线程的call 方法,并保存结果,如果有异常,结果里面保存异常信息,并设置状态为异常状态。
  4. CAS设置状态为完成状态中,把结果保存到outcome,然后设置状态为normal正常状态。
  5. CAS设置阻塞队列里面的头结点为null
  6. 当前节点封装的线程不为空,则赋值为null,等待GC, 然后则唤醒当前线程
public void run() {
        if (state != NEW ||
            !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                         null, Thread.currentThread()))
            return;
        try {
            Callable<V> c = callable;
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
                try {
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {// 本身程序导致的中断异常
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex);
                }
                if (ran)
                    set(result);// CAS设置状态为完成状态中,把结果保存到outcome,然后设置状态为normal正常状态,然后清空并唤醒阻塞队列里面的结点
            }
        } 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 interrupts
            int s = state;
            if (s >= INTERRUPTING)// 判断是否是cancle 导致的中断异常
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
    }
    protected void setException(Throwable t) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = t;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

    protected void set(V v) {
        // CAS设置状态为完成状态中
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = v;// 把结果保存到outcome,
            //  CAS设置状态为完成
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
            finishCompletion(); //清空并唤醒阻塞队列里面的结点
        }
    }
    private void finishCompletion() {
        // assert state > COMPLETING;
        for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
            // 清空WaitNode链表
            if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
                for (;;) { // 遍历链表并唤醒结点
                    Thread t = q.thread;
                    if (t != null) {
                        q.thread = null;
                        LockSupport.unpark(t);
                    }
                    WaitNode next = q.next;
                    if (next == null)
                        break;
                    q.next = null; // unlink to help gc
                    q = next;
                }
                break;
            }
        }

        done();

        callable = null;        // to reduce footprint
    }
}

get

可能有多个线程等待获取get的结果。 如果线程状态小于等于完成中状态,则调用get的外部线程会被阻塞

  1. 当前线程的等待状态小于等于完成中COMPETTING,则阻塞, 为当前线程创建WaitNode结点,并进入阻塞队列
  2. 阻塞当前线程,直到被唤醒或者中断唤醒
  3. 如果是中断唤醒,当前结点从阻塞队列出对,并抛出异常
  4. 如果是唤醒操作,且当前任务状态已经完成,退出
  5. 如果当前状态是正在完成(state==COMPETTING),则yield释放CPU资源,进行下一次抢占CPU。
  6. 如果线程状态是正常状态,则返回结果
  7. 如果是大于取消状态,即中断状态 ,则抛出异常
    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L);
        return report(s);
    }
    
    private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
        final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
        // 引用当前线程 封装成 WaitNode 对象
        WaitNode q = null;
        boolean queued = false;// 表示当前线程waitNode对象,有没有入队/压栈
        for (;;) {
            if (Thread.interrupted()) {// 当前线程刚被中断唤醒
                removeWaiter(q); // 把当前结点从阻塞队列里面出队
                throw new InterruptedException();
            }
            // 当前线程被unpark唤醒
            int s = state;
            if (s > COMPLETING) {
                if (q != null)
                    q.thread = null;
                return s; // 当前任务已有结果,退出
            }
            // 当前任务已经快完成, 当前线程释放CPU,进行下一次抢占CPU
            else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
                Thread.yield();
            //第一次自旋,为当前线程创建WaitNode对象
            else if (q == null)
                q = new WaitNode();
            // 第二次自旋,当前q的next指向队列头节点,q结点入队,并CAS设置头结点为q
            else if (!queued)
                queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                     q.next = waiters, q);
            else if (timed) {
                nanos = deadline - System.nanoTime();
                if (nanos <= 0L) {
                    removeWaiter(q);
                    return state;
                }
                LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
            else
                // 当前get操作被park,线程状态变为WAITTING状态,
                //等待被其他线程唤醒,或者 当前线程中断
                // 唤醒后继续自旋
                LockSupport.park(this);
        }
    }

cancle

如果当前不为New 状态,表示正在执行,则直接退出
如果当前线程为NEW状态,则CAS 设置状态为中断、或者取消状态,CAS设置失败则退出;
如果是中断,则执行线程中断程序,并设置状态为中断状态

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
        if (!(state == NEW &&
              UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
                  mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
            return false;
        try {    // 通过中断结束任务
            if (mayInterruptIfRunning) {
                try {
                    Thread t = runner;
                    if (t != null)
                        t.interrupt();
                } finally { // final state
                    UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
                }
            }
        } finally {
            finishCompletion();
        }
        return true;
    }

Reference

FutureTask源码解析参考1
FutureTask源码解析参考2


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