深入理解Java Callable接口

概述
Callable和Runnbale一样代表着任务，区别在于Callable有返回值并且可以抛出异常。其使用如下：

public class CallableDemo {

static class SumTask implements Callable<Long> {

@Override
public Long call() throws Exception {

long sum = 0;
for (int i = 0; i < 9000; i++) {
sum += i;
}

return sum;
}
}

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
System.out.println("Start:" + System.nanoTime());
FutureTask<Long> futureTask = new FutureTask<Long>(new SumTask());
Executor executor=Executors.newSingleThreadExecutor();
executor.execute(futureTask);
System.out.println(futureTask.get());
System.out.println("End:" + System.nanoTime());
}

}
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从上面的代码可以看到，使用到了一个FutureTask的变量并且还可以得到Callable执行的结果，那么这个FutureTask是什么呢?

分析
Future接口
Future是一个接口，代表了一个异步计算的结果。接口中的方法用来检查计算是否完成、等待完成和得到计算的结果。当计算完成后，只能通过get()方法得到结果，get方法会阻塞直到结果准备好了。如果想取消，那么调用cancel()方法。其他方法用于确定任务是正常完成还是取消了。一旦计算完成了，那么这个计算就不能被取消。

FutureTask类
FutureTask类实现了RunnableFuture接口，而RunnnableFuture接口继承了Runnable和Future接口，所以说FutureTask是一个提供异步计算的结果的任务。
FutureTask可以用来包装Callable或者Runnbale对象。因为FutureTask实现了Runnable接口，所以FutureTask也可以被提交给Executor（如上面例子那样）。

FutureTask的状态
FutureTask中有一个表示任务状态的int值，初始为NEW。定义如下：

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;
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可能的状态转换包括：
- NEW -> COMPLETING -> NORMAL
- NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
- NEW -> CANCELLED
- NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED

构造方法
FutureTask一共有两个构造方法，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) {
this.callable = Executors.callable(runnable, result);
this.state = NEW; // ensure visibility of callable
}
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第一个构造方法好理解；第二个方法是将Runnbale和结果组合成一个Callable，这个可以通过Excutors.callable()方法得出结论：

public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
if (task == null)
throw new NullPointerException();
return new RunnableAdapter<T>(task, result);
}

static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
final Runnable task;
final T result;
RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
this.task = task;
this.result = result;
}
public T call() {
task.run();
return result;
}
}
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从上面可以看到RunnableAdapter实现了Callable并且在call方法中调用了Runnable的run方法，然后将结果返回，这其实就是一个适配器模式啊。
所以说两个构造方法最终都是得到了一个Callable以及设置了初始状态为NEW。

run方法
当将FutureTask提交给Executor后，Executor执行FutureTask时会执行其run方法，下面看一下run方法中做了哪些事情。

public void run() {
//如果状态不为NEW或者CAS当前执行线程失败，直接返回
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return;
//尝试调用Callable.call
try {
Callable<V> c = callable;
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
//出现异常了，调用setException方法
result = null;
ran = false;
setException(ex);
}
//如果成功了，调用set方法
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
//如果在执行过程，任务被取消了
int s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
}
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从上面可以看到，任务可以被执行的前提是当前状态为NEW以及CAS当前执行线程成功，也就是runner值，代表执行Callable的线程。从这个看到run方法就是调用Callable的call方法，然后如果出现异常了就调用setException方法，如果成功执行了，那么调用set方法，下面我们分别来看这几种情况。

set方法
当Callable成功执行后，会调用set方法将结果传出。源码如下：

protected void set(V v) {
//完成NEW->COMPLETING->NORMAL状态转换
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
outcome = v;
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
finishCompletion();
}
}
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从上面可以看到，将outcome变量赋值为结果，并将state状态更新，最后调用finishCompletion()方法。finishCompletion()方法将移除和通知所有等待线程，这个方法后面再说。下面先看setException方法。

setException方法
setException方法如下：

//完成NEW->COMPLETING->EXCEPTIONAL状态转换
protected void setException(Throwable t) {
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
outcome = t;
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
finishCompletion();
}
}
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从上面看到，该方法和set方法类似，完成状态转换，将结果设置为Throwable并调用finishCompletion通知和移除等待线程。

get方法
当想得到FutureTask的结算结果时，调用get方法，get方法可以允许多个线程调用，下面的例子展示了多个线程调用get的情况。

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
System.out.println("Start:" + System.nanoTime());
FutureTask<Long> futureTask = new FutureTask<Long>(new SumTask());
Executor executor=Executors.newSingleThreadExecutor();
executor.execute(futureTask);
for(int i=0;i<5;i++){
executor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println("get result "+futureTask.get());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
System.out.println(futureTask.get());
System.out.println("End:" + System.nanoTime());
}
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该例子展示了一共有5个线程想得到FutureTask的结果，一旦调用get，那么该线程就会阻塞。
FutureTask的get方法实现如下：

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}
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从上面的代码可以看到，如果当前任务的状态不大于COMPLETING，那么会调用awaitDone方法，这个方法会将调用的线程挂起；否则直接调用report方法返回结果。
在前面set和setException方法中可以得出结论：当状态从NEW变为COMPLETING后，才会将outcome赋值，也就是状态是NEW或者COMPLETING时，outcome都还未赋值，也就意味着计算仍在进行，那么此时想要get到结果，就必须等待。下面先看下awaitDone方法是如何将调用线程阻塞的。awaitDone的两个参数分别表示是否定时，以及定时的时间多少。get的另一个重载方法就提供了超时限制。awaitDone方法如下：

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException {
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
WaitNode q = null;
boolean queued = false;
for (;;) {
//如果当前线程被中断了，移除并抛出异常
if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}

int s = state;
//如果状态大于COMPLETING，说明已经计算已经完成了
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
//状态是COMPLETING，在set和setException方法中可以看到处于该状态马上就会进入下一个状态
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
//新建一个等待节点
else if (q == null)
q = new WaitNode();
//还没有入队，尝试入队
else if (!queued)
queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q.next = waiters, q);
//如果限制了时间
else if (timed) {
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
removeWaiter(q);
return state;
}
//挂起指定时间
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
//无限挂起
else
LockSupport.park(this);
}
}
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上面的代码中有一个WaitNode类，该类表示等待节点，保存等待的线程以及下一个节点，是一个单链表结构，其定义如下:

static final class WaitNode {
volatile Thread thread;
volatile WaitNode next;
WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}
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awaitDone方法中进入死循环后，主要有几步：
1. 如果线程被中断了，移除节点，抛出异常
2. 如果状态大于COMPLETING，那么直接返回
3. 如果状态是COMPLETING，在set和setException可以看到，处于COMPLETING是一个暂时状态，很快就会进入下一个状态，所以这儿就调用了Thread.yield()方法让步一下
4. 如果状态是NEW且节点为null，那么创建一个节点
5. 如果还没有将当前线程加入队列，那么将当前线程加入到等待队列中。由于WaitNode是一个单链表结构，FutureTask中保存了waiters的变量，就可以沿着该变量得到所有等待的线程
6. 如果限制了时间，那么计算出生出超出时间，挂起指定时间。当解除挂起时，如果计算还未完成，那么将会由于没有时间了，调用removeWaiter方法移除节点。
7. 如果没有限制时间，那么将线程无限挂起

上面几种情况下，都涉及了移除节点，removeWaiter方法就是删除单链表中一个节点的实现。
当线程被解除挂起，或计算已经完成后，将会get方法中将会调用report返回结果，其实现如下：

private V report(int s) throws ExecutionException {
Object x = outcome;
//如果计算正常结束
if (s == NORMAL)
return (V)x;
//如果计算被取消了
if (s >= CANCELLED)
throw new CancellationException();
//如果计算以异常计算
throw new ExecutionException((Throwable)x);
}
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从上面可以看到report会根据任务的状态不同返回不同的结果。
- 如果计算正常结束，即状态是NORMAL，那么返回正确的计算结果
- 如果计算被取消了，即状态大于等于CANCELLED，那么抛出CancellationException
- 如果计算以异常结束，即状态是EXCEPTIONAL，那么抛出ExecutionException

finishCompletion方法
在set方法和setException方法中，当将结果赋值后，都调用了finishCompletion方法来移除和通知等待线程。由于get方法中可以挂起了一群等待节点，那么当结果被计算出来了，自然应该通知那些等待线程。finishCompletion的实现如下：

private void finishCompletion() {
//如果有等待线程，从头开始解除挂起
for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
for (;;) {
//得到等待节点的线程，解除挂起
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
}
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finishCompletion的实现比较简单，就是遍历等待线程的单链表，释放那些等待线程。当线程被释放后，那么在awaitDone的死循环中就会进入下一个循环，由于状态已经变成了NORMAL或者EXCEPTIONAL，将会直接跳出循环。
释放了所有线程后，将会调用done()方法，FutureTask的done()方法默认没有任何实现，子类可以在该方法中调用完成回调以及记录操作等等。
上面的方法分析完了FutureTask的主要流程，包括调用get线程的阻塞、run方法执行、计算结果的返回。下面再来看一些取消、查看状态的方法。

cancel方法
cancel方法用于取消Callable的计算。参数mayInterruptIfRunning指明是否应该中断正在运行的任务，返回值表示取消是否成功了。其源码如下：

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
if (!(state == NEW &&
UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
return false;
try {
//如果需要中断
if (mayInterruptIfRunning) {
try {
Thread t = runner;
if (t != null)
t.interrupt();
} finally {
//最终状态INTERRUPTED
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
}
}
} finally {
//释放等待线程
finishCompletion();
}
return true;
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从上面可以看到如果是需要中断正在执行的任务，那么状态转换将会是NEW->INTERRPUTING->INTERRUPTED；如果不需要中断正在执行的任务，那么状态转换将会是NEW->CANCELD。不管是否中断，最终都会调用finishCompletion()完成对等待线程的释放。
当这些线程释放后，再进入到awaitDone中的循环时，返回的状态将会是大于等于CANCELD，在report方法中将会得到CancellationException异常。

isDone方法
Future接口中isDone方法表明任务是否已经完成了，如果完成了，那么返回true，否则false。下面是FutureTask的实现：

public boolean isDone() {
return state != NEW;
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可以看到只要状态从初始状态NEW完成了一次转换，那么就说明任务已经被完成了。

总结
Callable是一种可以返回结果的任务，这是它与Runnable的区别，但是通过适配器模式可以使Runnable与Callable类似。Future代表了一个异步的计算，可以从中得到计算结果、查看计算状态，其实现FutureTask可以被提交给Executor执行，多个线程可以从中得到计算结果。Callable和Future是配合使用的，当从Future中get结果时，如果结果还没被计算出来，那么线程将会被挂起，FutureTak内部使用一个单链表维持等待的线程；当计算结果出来后，将会对等待线程解除挂起，等待线程就都可以得到计算结果了。
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作者：xingfeng_coder
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/qq_19431333/article/details/77483763
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