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Java多线程Future实现优雅获取线程的执行结果

2023-07-20 08:19:09 作者：Shawn_Shawn

这篇文章主要为大家详细介绍了Java如何利用Future实现优雅获取线程的执行结果，文中的示例代码讲解详细，感兴趣的小伙伴可以跟随小编一起学习一下

为什么要使用Future

线程获取到运行结果有几种方式

public class Sum {
  private Sum(){}
  public static int sum(int n){
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
      sum += n;
    }
    return sum;
  }
}

Thread.sleep()

private static int sum_sleep = 0;
Thread thread = new Thread(() -> sum_sleep = Sum.sum(100));
thread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.printf("get result by thread.sleep: %d\n", sum_sleep);

使用sleep()方法获取，这种方法，有不可控性，也许sleep1秒钟，但是线程还没有执行完成，可能会导致获取到的结果不准确。

Thread.join()

private static int sum_join = 0;
Thread thread = new Thread(() -> sum_join = Sum.sum(100));
thread.start();
thread.join();
System.out.printf("get result by thread.join: %d\n", sum_join);

循环

private static int sum_loop = 0;
private static volatile boolean flag;

Thread thread = new Thread(() -> {
  sum_loop = Sum.sum(100);
  flag = true;
});
thread.start();
int i = 0;
while (!flag) {
  i++;
}
System.out.printf("get result by loopLock: %d\n", sum_loop);

notifyAll() / wait()

private static class NotifyAndWaitTest {

    private Integer sum = null;

    private synchronized void sum_wait_notify() {
      sum = Sum.sum(100);
      notifyAll();
    }

    private synchronized Integer getSum() {
      while (sum == null) {
        try {
          wait();
        } catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
      return sum;
    }
}
private static void getResultByNotifyAndWait() throws Exception {
    NotifyAndWaitTest test = new NotifyAndWaitTest();
    new Thread(test::sum_wait_notify).start();
    System.out.printf("get result by NotifyAndWait: %d\n", test.getSum());
}

Lock & Condition

private static class LockAndConditionTest {

    private Integer sum = null;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();

    public void sum() {
      try {
        lock.lock();
        sum = Sum.sum(100);
        condition.signalAll();
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      } finally {
        lock.unlock();
      }
    }

    public Integer getSum() {
      try {
        lock.lock();
        while (Objects.isNull(sum)) {
          try {
            condition.await();
          } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
          }
        }
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      } finally {
        lock.unlock();
      }
      return sum;
    }
}

private static void getResultByLockAndCondition() throws Exception {
  LockAndConditionTest test = new LockAndConditionTest();
  new Thread(test::sum).start();
  System.out.printf("get result by lock and condition: %d\n", test.getSum());
}

BlockingQueue

BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(1);
new Thread(() -> queue.offer(Sum.sum(100))).start();
System.out.printf("get result by blocking queue: %d\n", queue.take());

CountDownLatch

private static int sum_countDownLatch = 0;

private static void getResultByCountDownLatch() {
  CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);

  new Thread(
          () -> {
            sum_countDownLatch = Sum.sum(100);
            latch.countDown();
          })
      .start();
  try {
    latch.await();
  } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
  }
  System.out.printf("get result by countDownLatch: %d\n", sum_countDownLatch);
}

CyclicBarrier

private static int sum_cyclicBarrier = 0;

private static void getResultByCycleBarrier() {
  CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(2);
  new Thread(
    () -> {
      sum_cyclicBarrier = Sum.sum(100);
      try {
        cyclicBarrier.await();
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
    })
    .start();
  try {
    cyclicBarrier.await();
  } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
  }
  System.out.printf("get result by cyclicBarrier: %d\n", sum_cyclicBarrier);
}

Semaphore

private static int sum_semaphore = 0;
private static void getResultBySemaphore() {
  Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
  new Thread(
    () -> {
      sum_semaphore = Sum.sum(100);
      semaphore.release();
    })
    .start();

  try {
    semaphore.acquire();
    System.out.printf("get result by semaphore: %d\n", sum_semaphore);
  } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
  }
}

上面提到的获取线程执行结果的方法，暂时基于之前学到的内容，我只能想到这些。这些实现方式也不是很优雅，不是最佳实践。

线程池，利用ThreadPoolExecutor的execute(Runnable command)方法，利用这个方法虽说可以提交任务，但是却没有办法获取任务执行结果。

那么我们如果需要获取任务的执行结果并且优雅的实现，可以通过Future接口和Callable接口配合实现，本文将会通过具体的例子讲解如何使用Future。

Future最主要的作用是，比如当做比较耗时运算的时候，如果我们一直在原地等待方法返回，显然是不明智的，整体程序的运行效率会大大降低。我们可以把运算的过程放到子线程去执行，再通过Future去控制子线程执行的计算过程，最后获取到计算结果。这样一来就可以把整个程序的运行效率提高，是一种异步的思想。

如何使用Future

要想使用Future首先得先了解一下Callable。Callable 接口相比于 Runnable 的一大优势是可以有返回结果，那这个返回结果怎么获取呢？就可以用 Future 类的 get 方法来获取。因此，Future 相当于一个存储器，它存储了 Callable 的call方法的任务结果。

一般情况下，Future，Callable，ExecutorService是一起使用的，ExecutorService里相关的代码如下：

// 提交 Runnable 任务
// 由于Runnable接口的run方法没有返回值，所以，Future仅仅是用来断言任务已经结束，有点类似join();
Future<?> submit(Runnable task);
// 提交 Callable 任务
// Callable里的call方法是有返回值的，所以这个方法返回的Future对象可以通过调用其get()方法来获取任务的执
//行结果。
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
// 提交 Runnable 任务及结果引用  
// Future的返回值就是传给submit()方法的参数result。
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

具体使用方法如下：

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
Future<Integer> future = executor.submit(() -> Sum.sum(100));

System.out.printf("get result by Callable + Future: %d\n", future.get());
executor.shutdown();

Future实现原理

Future基本概述

Future接口5个方法：

// 取消任务
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
// 判断任务是否已取消  
boolean isCancelled();
// 判断任务是否已结束
boolean isDone();
// 获得任务执行结果 阻塞，被调用时，如果任务还没有执行完，那么调用get()方法的线程会阻塞。直到任务执行完
// 才会被唤醒
get();
// 获得任务执行结果，支持超时
get(long timeout, TimeUnit unit);

cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：

用来取消异步任务的执行。
如果异步任务已经完成或者已经被取消，或者由于某些原因不能取消，则会返回false。
如果任务还没有被执行，则会返回true并且异步任务不会被执行。
如果任务已经开始执行了但是还没有执行完成，若mayInterruptIfRunning为true，则会立即中断执行任务的线程并返回true，若mayInterruptIfRunning为false，则会返回true且不会中断任务执行线程。

isCanceled()：

判断任务是否被取消。
如果任务在结束(正常执行结束或者执行异常结束)前被取消则返回true，否则返回false。

isDone()：

·判断任务是否已经完成，如果完成则返回true，否则返回false。
任务执行过程中发生异常、任务被取消也属于任务已完成，也会返回true。

get()：

获取任务执行结果，如果任务还没完成则会阻塞等待直到任务执行完成。
如果任务被取消则会抛出CancellationException异常。
如果任务执行过程发生异常则会抛出ExecutionException异常。
如果阻塞等待过程中被中断则会抛出InterruptedException异常。

get(long timeout,Timeunit unit):

带超时时间的get()版本，上面讲述的get()方法，同样适用这里。
如果阻塞等待过程中超时则会抛出TimeoutException异常。

使用IDEA，查看Future的实现类其实有很多，比如FutureTask，ForkJoinTask，CompletableFuture等，其余基本是继承了ForkJoinTask实现的内部类。

本篇文章主要讲解FutureTask的实现原理

FutureTask基本概述

FutureTask 为 Future 提供了基础实现，如获取任务执行结果(get)和取消任务(cancel)等。如果任务尚未完成，获取任务执行结果时将会阻塞。一旦执行结束，任务就不能被重启或取消(除非使用runAndReset执行计算)。FutureTask 常用来封装 Callable 和 Runnable，也可以作为一个任务提交到线程池中执行。除了作为一个独立的类之外，此类也提供了一些功能性函数供我们创建自定义 task 类使用。FutureTask 的线程安全由CAS来保证。

// 创建 FutureTask
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(()-> 1+2);
// 创建线程池
ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
// 提交 FutureTask 
es.submit(futureTask);
// 获取计算结果
Integer result = futureTask.get();

// 创建 FutureTask
FutureTask<Integer> futureTask
  = new FutureTask<>(()-> 1+2);
// 创建并启动线程
Thread T1 = new Thread(futureTask);
T1.start();
// 获取计算结果
Integer result = futureTask.get();

FutureTask可以很容易获取子线程的执行结果。

FutureTask实现原理

构造函数

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) {
  this.callable = Executors.callable(runnable, result);
  this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

FutureTask提供了两个构造器

Callable接口有返回，将callable赋值给this.callable。

Runnable接口无返回，如果想要获取到执行结果，需要传V result给FutureTask，FutureTask将Runnable和result封装成Callable，再将callable赋值给this.callable。

状态初始化状态为NEW

FutureTask内置状态有：

private volatile int state; // 可见性
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;

NEW 初始状态
COMPLETING 任务已经执行完(正常或者异常)，准备赋值结果，但是这个状态会时间会比较短，属于中间状态。
NORMAL 任务已经正常执行完，并已将任务返回值赋值到结果
EXCEPTIONAL 任务执行失败，并将异常赋值到结果
CANCELLED 取消
INTERRUPTING 准备尝试中断执行任务的线程
INTERRUPTED 对执行任务的线程进行中断(未必中断到)

状态转换：

run()执行流程

public void run() {
    if (state != NEW ||
        !RUNNER.compareAndSet(this, 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) {
                result = null;
                ran = false;
                setException(ex);
            }
            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 interrupts
        int s = state;
        if (s >= INTERRUPTING)
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}

set()

protected void set(V v) {
    // state变量，通过CAS操作，将NEW->COMPLETING
    if (STATE.compareAndSet(this, NEW, COMPLETING)) {
        // 将结果赋值给outcome属性
        outcome = v;
        // state状态直接赋值为NORMAL，不需要CAS
        STATE.setRelease(this, NORMAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

setException()

protected void setException(Throwable t) {
    // state变量，通过CAS操作，将NEW->COMPLETING
    if (STATE.compareAndSet(this, NEW, COMPLETING)) {
        // 将异常赋值给outcome属性
        outcome = t;
        // state状态直接赋值为EXCEPTIONAL，不需要CAS
        STATE.setRelease(this, EXCEPTIONAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

finishCompletion()

set()和setException()两个方法最后都调用了finishCompletion()方法，完成一些善后工作，具体流程如下：

private void finishCompletion() {
    // assert state > COMPLETING;
    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
        // 移除等待线程
        if (WAITERS.weakCompareAndSet(this, q, null)) {
            // 自旋遍历等待线程
            for (;;) {
                Thread t = q.thread;
                if (t != null) {
                    q.thread = null;
                    // 唤醒等待线程
                    LockSupport.unpark(t);
                }
                WaitNode next = q.next;
                if (next == null)
                    break;
                q.next = null; // unlink to help gc
                q = next;
            }
            break;
        }
    }
    // 任务完成后调用函数，自定义扩展
    done();

    callable = null;        // to reduce footprint
}

handlePossibleCancellationInterrupt()

private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) {
    if (s == INTERRUPTING)
        // 在中断者中断线程之前可能会延迟，所以我们只需要让出CPU时间片自旋等待
        while (state == INTERRUPTING)
            Thread.yield(); // wait out pending interrupt
}

get()执行流程

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING)
        // awaitDone用于等待任务完成，或任务因为中断或超时而终止。返回任务的完成状态。
        s = awaitDone(false, 0L);
    return report(s);
}

具体流程：

awaitDone()

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException {
    long startTime = 0L;    // Special value 0L means not yet parked
    WaitNode q = null;
    boolean queued = false;
    for (;;) {
        // 获取到当前状态
        int s = state;
        // 如果当前状态不为NEW或者COMPLETING
        if (s > COMPLETING) {
            if (q != null)
                q.thread = null;
            // 直接返回state
            return s;
        }
        // COMPLETING是一个很短暂的状态，调用Thread.yield期望让出时间片，之后重试循环。
        else if (s == COMPLETING)
            Thread.yield();
        // 如果阻塞线程被中断则将当前线程从阻塞队列中移除
        else if (Thread.interrupted()) {
            removeWaiter(q);
            throw new InterruptedException();
        }
        //  新进来的线程添加等待节点
        else if (q == null) {
            if (timed && nanos <= 0L)
                return s;
            q = new WaitNode();
        }
        else if (!queued)
            /*
             *  这是Treiber Stack算法入栈的逻辑。
             *  Treiber Stack是一个基于CAS的无锁并发栈实现,
             *  更多可以参考https://en.wikipedia.org/wiki/Treiber_Stack
             */
            queued = WAITERS.weakCompareAndSet(this, q.next = waiters, q);
        else if (timed) {
            final long parkNanos;
            if (startTime == 0L) { // first time
                startTime = System.nanoTime();
                if (startTime == 0L)
                    startTime = 1L;
                parkNanos = nanos;
            } else {
                long elapsed = System.nanoTime() - startTime;
                if (elapsed >= nanos) {
                    // 超时，移除栈中节点。
                    removeWaiter(q);
                    return state;
                }
                parkNanos = nanos - elapsed;
            }
            // nanoTime may be slow; recheck before parking
            // 未超市并且状态为NEW，阻塞当前线程
            if (state < COMPLETING)
                LockSupport.parkNanos(this, parkNanos);
        }
        else
            LockSupport.park(this);
    }
}

removeWaiter()

private void removeWaiter(WaitNode node) {
  if (node != null) {
    node.thread = null;
    retry:
    for (;;) {          // restart on removeWaiter race
      for (WaitNode pred = null, q = waiters, s; q != null; q = s) {
        s = q.next;
        // 如果当前节点仍有效,则置pred为当前节点，继续遍历。
        if (q.thread != null)
          pred = q;
        /*
        * 当前节点已无效且有前驱，则将前驱的后继置为当前节点的后继实现删除节点。
        * 如果前驱节点已无效，则重新遍历waiters栈。
        */
        else if (pred != null) {
          pred.next = s;
          if (pred.thread == null) // check for race
            continue retry;
        }
        /*
        * 当前节点已无效，且当前节点没有前驱，则将栈顶置为当前节点的后继。
        * 失败的话重新遍历waiters栈。
        */
        else if (!WAITERS.compareAndSet(this, q, s))
          continue retry;
      }
      break;
    }
  }
}

report()

private V report(int s) throws ExecutionException {
    Object x = outcome;
    if (s == NORMAL)
        return (V)x;
    if (s >= CANCELLED)
        throw new CancellationException();
    throw new ExecutionException((Throwable)x);
}

cancel()执行流程

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
    // 状态机不是NEW 或CAS更新状态 流转到INTERRUPTING或者CANCELLED失败，不允许cancel
    if (!(state == NEW && STATE.compareAndSet
          (this, NEW, mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
        return false;
    try {    // in case call to interrupt throws exception
        // 如果要求中断执行中的任务，则直接中断任务执行线程，并更新状态机为最终状态INTERRUPTED
        if (mayInterruptIfRunning) {
            try {
                Thread t = runner;
                if (t != null)
                    t.interrupt();
            } finally { // final state
                STATE.setRelease(this, INTERRUPTED);
            }
        }
    } finally {
        finishCompletion();
    }
    return true;
}

经典案例

引用极客时间-java并发编程课程的案例烧水泡茶：

并发编程可以总结为三个核心问题：分工，同步和互斥。编写并发程序，首先要做分工。

T1负责洗水壶，烧开水，泡茶这三道工序
T2负责洗茶壶，洗茶杯，拿茶叶三道工序。
T1在执行泡茶这道工序需要等到T2完成拿茶叶的工作。（join,countDownLatch，阻塞队列都可以完成）

// 创建任务 T2 的 FutureTask
FutureTask<String> ft2
  = new FutureTask<>(new T2Task());
// 创建任务 T1 的 FutureTask
FutureTask<String> ft1
  = new FutureTask<>(new T1Task(ft2));
// 线程 T1 执行任务 ft1
Thread T1 = new Thread(ft1);
T1.start();
// 线程 T2 执行任务 ft2
Thread T2 = new Thread(ft2);
T2.start();
// 等待线程 T1 执行结果
System.out.println(ft1.get());

// T1Task 需要执行的任务：
// 洗水壶、烧开水、泡茶
class T1Task implements Callable<String>{
  FutureTask<String> ft2;
  // T1 任务需要 T2 任务的 FutureTask
  T1Task(FutureTask<String> ft2){
    this.ft2 = ft2;
  }
  @Override
  String call() throws Exception {
    System.out.println("T1: 洗水壶...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    System.out.println("T1: 烧开水...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(15);
    // 获取 T2 线程的茶叶  
    String tf = ft2.get();
    System.out.println("T1: 拿到茶叶:"+tf);

    System.out.println("T1: 泡茶...");
    return " 上茶:" + tf;
  }
}
// T2Task 需要执行的任务:
// 洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶
class T2Task implements Callable<String> {
  @Override
  String call() throws Exception {
    System.out.println("T2: 洗茶壶...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

    System.out.println("T2: 洗茶杯...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

    System.out.println("T2: 拿茶叶...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    return " 龙井 ";
  }
}
// 一次执行结果：
//T1: 洗水壶...
//T2: 洗茶壶...
//T1: 烧开水...
//T2: 洗茶杯...
//T2: 拿茶叶...
//T1: 拿到茶叶: 龙井
//T1: 泡茶...
//上茶: 龙井

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