ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的多线程原理解析

原创/朱季谦

在并发多线程场景下，存在需要获取各线程的异步执行结果，这时，就可以通过ExecutorService线程池结合Callable、Future来实现。

我们先来写一个简单的例子——

public class ExecutorTest {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Callable callable = new MyCallable();
        Future future = executor.submit(callable);
        System.out.println("打印线程池返回值：" + future.get());
    }
}

class MyCallable implements Callable<String>{
    @Override
    public String call() throws Exception {
        return "测试返回值";
    }
}

执行完成后，会打印出以下结果：

打印线程池返回值：测试返回值

可见，线程池执行完异步线程任务，我们是可以获取到异步线程里的返回值。

那么，ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的多线程是如何实现的呢？

首先，我们需要创建一个实现函数式接口Callable的类，该Callable接口只定义了一个被泛型修饰的call方法，这意味着，需要返回什么类型的值可以由具体实现类来定义——

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

因此，我自定义了一个实现Callable接口的类，该类的重写了call方法，我们在执行多线程时希望返回什么样的结果，就可以在该重写的call方法定义。

class MyCallable implements Callable<String>{
    @Override
    public String call() throws Exception {
        return "测试返回值";
    }
}

在自定义的MyCallable类中，我在call方法里设置一个很简单的String返回值 “测试返回值”，这意味着，我是希望在线程池执行完异步线程任务时，可以返回“测试返回值”这个字符串给我。

接下来，我们就可以创建该MyCallable类的对象，然后通过executor.submit(callable)丢到线程池里，线程池里会利用空闲线程来帮我们执行一个异步线程任务。

ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
Callable callable = new MyCallable();
Future future = executor.submit(callable);

值得注意一点是，若需要实现获取线程返回值的效果，只能通过executor.submit(callable)去执行，而不能通过executor.execute(Runnable command)执行，因为executor.execute(Runnable command)只能传入实现Runnable 接口的对象，但这类对象是不具备返回线程效果的功能。

进入到executor.submit(callable)底层，具体实现在AbstractExecutorService类中。可以看到，执行到submit方法内部时，会将我们传进来的new MyCallable()对象作为参数传入到newTaskFor(task)方法里——

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
    if (task == null) throw new NullPointerException();
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
    execute(ftask);
    return ftask;
}

这个newTaskFor(task)方法内部具体实现，是将new MyCallable()对象传入构造器中，生成了一个FutureTask对象。

protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
    return new FutureTask<T>(callable);
}

这个FutureTask对象实现RunableFuture接口，这个RunableFuture接口又继承了Runnable，说明FutureTask类内部会实现一个run方法，然后本身就可以当做一个Runnable线程任务，借助线程Thread(new FutureTask(.....)).start()方式开启一个新线程，去异步执行其内部实现的run方法逻辑。

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>{.....}

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    /**
     * Sets this Future to the result of its computation
     * unless it has been cancelled.
     */
    void run();
}

分析到这里，可以知道FutureTask的核心方法一定是run方法，线程执行start方法后，最后会去调用FutureTask的run方法。在讲解这个run方法前，我们先去看一下创建FutureTask的初始化构造方法底层逻辑new FutureTask(callable) ——

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {

private Callable<V> callable;

......//省略其余源码

public FutureTask(Callable<V> callable) {
    if (callable == null)
        throw new NullPointerException();
    //通过构造方法初始化Callable<V> callable赋值
    this.callable = callable;
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

......//省略其余源码
}

可以看到，FutureTask(Callable callable)构造器，主要是将我们先前创建的new MyCallable()对象传进来，赋值给FutureTask内部定义的Callable callable引用，实现子类对象指向父类引用。这一点很关键，这就意味着，在初始化创建FutureTask对象后，我们是可以通过callable.call()来调用我们自定义设置可以返回“测试返回值”的call方法，这不就是我们希望在异步线程执行完后能够返回的值吗？

我们不妨猜测一下整体返数主流程，在Thread(new FutureTask(.....)).start()开启一个线程后，当线程获得了CPU时间片，就会去执行FutureTask对象里的run方法，这时run方法里可以通过callable.call()调用到我们自定义的MyCallable#call()方法，进而得到方法返回值 “测试返回值”——到这一步，只需要将这个返回值赋值给FutureTask里某个定义的对象属性，那么，在主线程在通过获取FutureTask里被赋值的X对象属性值，不就可以拿到返回字符串值 “测试返回值”了吗？

实现上，主体流程确实是这样，只不过忽略了一些细节而已。

接下来，让我们看一下FutureTask的run方法——

public void run() {
    //如果状态不是NEW或者设置runner为当前线程时，说明FutureTask任务已经取消，无法继续执行
    if (state != NEW ||
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                     null, Thread.currentThread()))
        return;
    try {
        //在该文中，callable被赋值为指向我们定义的new MyCallable()对象引用
        Callable<V> c = callable;
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran;
            try {
                //c.call最后会调用new MyCallable()的call()方法，得到字符串返回值“测试返回值”给result
                result = c.call();
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
                result = null;
                ran = false;
                setException(ex);
            }
            //正常执行完c.call()方法时，ran值为true,说明会执行set(result)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
        int s = state;
        if (s >= INTERRUPTING)
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}

根据以上源码简单分析，可以看到run方法当中，最终确实会执行new MyCallable()的call()方法，得到字符串返回值“测试返回值”给result，然后执行set(result)方法，根据set方法名就不难猜出，这是一个会赋值给某个字段的方法。

这里分析会忽略一些状态值的讲解，这块会包括线程的取消、终止等内容，后面我会出一片专门针对FutureTask源码分析的文章再介绍，本文主要还是介绍异步线程返回结果的主要原理。

沿着以上分析，追踪至set(result)方法里——

protected void set(V v) {
    //通过CAS原子操作，将运行的线程设置为COMPLETING，说明线程已经执行完成中
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        //若CAS原子比较赋值成功，说明线程可以被正常执行完成的话，然后将result结果值赋值给outcome
        outcome = v;
        //线程正常完成结束
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

这个方法的主要是，若该线程执行能够正常完成话，就将得到的返回值赋值给outcome，这个outcome是FutureTask的一个Object变量——

private Object outcome;

至此，就完成了流程的这一步——

最后，就是执行主线程的根据ftask.get()获取执行完成的值，这个get可以设置超时时间，例如 ftask.get(2,TimeUnit.SECONDS)表示超过2秒还没有获取到线程返回值的话，就直接结束该get方法，继续主线程往下执行。

System.out.println("打印线程池返回值：" + ftask.get(2,TimeUnit.SECONDS));

进入到get方法，可以看到当状态在s <= COMPLETING时，表示任务还没有执行完，就会去执行awaitDone(false, 0L)方法，这个方法表示，将一直做死循环等待线程执行完成，才会跳出等待循环继续往下走。若设置了超时时间，例如ftask.get(2,TimeUnit.SECONDS))，就会在awaitDone方法循环至2秒，在2秒内发现线程状态被设置为正常完成时，就会跳出循环，若2秒后线程没有执行完成，也会强制跳出循环了，但这种情况将无法获取到线程结果值。

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING)
        //循环等待线程执行状态
        s = awaitDone(false, 0L);
    return report(s);
}

最后就是report(s)方法，可以看到outcome值最终赋值给Object x，若s==NORMAL表示线程任务已经正常完成结束，就可以根据我们定义的类型进行泛型转换返回，我们定义的是String字符串类型，故而会返回字符串值，也就是 “测试返回值”。

private V report(int s) throws ExecutionException {
    Object x = outcome;
    if (s == NORMAL)
        //返回线程任务执行结果
        return (V)x;
    if (s >= CANCELLED)
        throw new CancellationException();
    throw new ExecutionException((Throwable)x);
}

你看，最后就能获取到了异步线程执行的结果返回给main主线程——

以上就是执行线程任务run方法后，如何将线程任务结果返回给主线程，其实，还少一个地方补充，就是如何将FutureTask任务丢给线程执行，我们这里用到了线程池， 但是execute(ftask)底层同样是使用一个了线程通过执行start方法开启一个线程，这个新运行的线程最终会执行FutureTask的run方法。

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
    if (task == null) throw new NullPointerException();
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
    execute(ftask);
    return ftask;
}

可以简单优化下，直接用一个线程演示该案例，这样看着更好理解些，当时，生产上是不会有这样直接用一个线程来执行的，更多是通过原生线程池——

public static void main(String[] args) throws Exception{
    Callable callable = new MyCallable();
    RunnableFuture<String> ftask = new FutureTask<String>(callable);
    new Thread(ftask).start();
    System.out.println("打印线程池返回值：" + ftask.get());
}