要深入理解CompletableFuture，就必须先搞懂Future的原理，因为CompletableFuture是在其基础上增加了回调和JDK1.8的操作
一、线程池提交Callable，返回Future，通过future.get，阻塞地获取结果
项目中使用Future，将Callable<T> task作为参数提交到线程池中，然后通过get获取结果
<pre> ListenableFuture<String> future = listeningExecutorService
.submit(() -> save());
executeFutures.add(future);
future.get();
submit方法，这里的线程池继承了ThreadExecutor，实现了submit方法。在原来的submit上做了增强，能够在线程传递之时，把spanId传给子线程。submit依然是交给父类ThreadExecutor的submit方法执行
@Override
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
// 获取父线程MDC中的内容，必须在run方法之前，否则等异步线程执行的时候有可能MDC里面的值已经被清空了，这个时候就会返回null
Map<String, String> context = MDC.getCopyOfContextMap();
return super.submit(() -> run(task, context));
}
提交后，AbstractExecutorService会将Callable通过newTaskFor利用构造函数新建一个FutureTask，由于RunnableFuture继承了Runnable和Future接口，所以excute可以执行ftask。并且可以返回结果
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
execute(ftask);
return ftask;
}
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
return new FutureTask<T>(callable);
}
构造函数保存callable，将state初始化为NEW，而且还可以兼容Runnable的传入。通过Executors.callable适配器模式，将Runnable适配为Callable
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
}
提交到线程池之后，什么时候能够执行，就跟线程池的策略有关了，具体跟核心线程数、工作队列、最大线程数、拒绝策略等参数有关。当轮到此任务执行时，会调用FutureTask中的run()方法。
二、FutureTask的结构和状态机
接下来先看下FutureTask的继承体系和数据结构
/** 封装的Callable对象，其call方法用来执行异步任务，其实就是把callable包装在这里，执行call()方法之后,future可以拿到结果，在get()中返回 */
private Callable<V> callable;
/** 在FutureTask里面定义一个成员变量outcome，用来装异步任务的执行结果 */
private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes
/** 用来执行callable任务的线程 ，判断这个参数是否为null，可以知道当前是否有线程在执行*/
private volatile Thread runner;
/** 线程等待节点，reiber stack的一种实现。存的是获取任务状态或结果的线程 */
private volatile WaitNode waiters;
/** 任务执行状态 ，由于更新状态需要保证线程安全，因此需要用volatile和CAS保证线程安全*/
private volatile int state;
// Unsafe mechanics
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
// 对应成员变量state的偏移地址
private static final long stateOffset;
// 对应成员变量runner的偏移地址
private static final long runnerOffset;
// 对应成员变量waiters的偏移地址
private static final long waitersOffset;</pre>
状态
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;</pre>
状态的转换如下：
-
NEW -> COMPLETING -> NORMAL:这个状态变化表示异步任务的正常结束，其中COMPLETING是一个瞬间临时的过渡状态，由set方法设置状态的变化； -
NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL:这个状态变化表示异步任务执行过程中抛出异常，由setException方法设置状态的变化； -
NEW -> CANCELLED:这个状态变化表示被取消，即调用了cancel(false)，由cancel方法来设置状态变化； -
NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED:这个状态变化表示被中断，即调用了cancel(true)，由cancel方法来设置状态变化。
三、future的run方法：当前状态为NEW->调用call()方法->保存异常或者正常执行的结果，并进行状态的流转。保存结果后就可以用finishComplete唤醒阻塞的线程
然后我们就可以看看run()方法执行过程了
public void run() {
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
//当前状态不是NEW或者将当前线程设置为runner对象失败时返回，说明有其他线程执行过了。
return;
try {
Callable<V> c = callable;
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
//执行call()方法
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
//抛出异常时，保存结果
setException(ex);
}
if (ran)
//保存返回值
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)//这里有个疑问，什么时候state会是中断的状态？
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
}
set()和setException负责保存结果到outcome和状态的流转。调用finishCompletion将阻塞的线程唤醒
protected void set(V v) {
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
outcome = v;
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
finishCompletion();
}
}
protected void setException(Throwable t) {
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
outcome = t;
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
finishCompletion();
}
}
finishCompletion
方法的作用就是不管异步任务正常还是异常结束，此时都要唤醒且移除线程等待链表的等待线程节点，这个链表实现的是一个是Treiber stack，因此唤醒（移除）的顺序是"后进先出"即后面先来的线程先被先唤醒（移除），关于这个线程等待链表是如何成链的，后面再继续分析。
// assert state > COMPLETING;
for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {//这里为什么要把waiters设置为null
for (;;) {
Thread t = q.thread;//对于waiters的结构比较困惑。看不懂遍历的过程
if (t != null) {
q.thread = null;
//唤醒等待结果的线程
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
}
四、get方法实现：主要是调用awaitDone方法，判断当前状态看是否可以返回结果。对于不同的状态有不同的处理方式，而且可以设置阻塞的时间
get()方法的实现，当状态<=COMPLETING，会阻塞当前线程
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}</pre>
|
awaitDone()
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException {
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
WaitNode q = null;
boolean queued = false;
for (;;) {
if (Thread.interrupted()) {//如果当前获取任务执行结果的线程被中断，此时移除该线程WaitNode链表节点，并抛出InterruptedException
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}
int s = state;
/**【问】此时将当前WaitNode节点的线程置空，其中在任务结束时也会调用finishCompletion将WaitNode节点的thread置空，
* 这里为什么又要再调用一次q.thread = null;呢？
*【答】因为若很多线程来获取任务执行结果，在任务执行完的那一刻，此时获取任务的线程要么已经在线程等待链表中，要么
*此时还是一个孤立的WaitNode节点。在线程等待链表中的的所有WaitNode节点将由finishCompletion来移除（同时唤醒）所有
* 等待的WaitNode节点，以便垃圾回收；而孤立的线程WaitNode节点此时还未阻塞，因此不需要被唤醒，此时只要把其属性置为
*null，然后其有没有被谁引用，因此可以被GC。**/
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
//任务正在执行，让出线程
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
else if (q == null)//若当前线程等待节点还未入线程等待队列，此时加入到该线程等待队列的头部
q = new WaitNode();
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
LockSupport.park(this);
}
}
五、Future的优点和缺点
Future的优点就是结合Callable能够异步执行，然后返回结果。但是有以下局限
- 不能手动完成
当你写了一个函数，用于通过一个远程API获取一个电子商务产品最新价格。因为这个 API 太耗时，你把它允许在一个独立的线程中，并且从你的函数中返回一个 Future。现在假设这个API服务宕机了，这时你想通过该产品的最新缓存价格手工完成这个Future 。你会发现无法这样做（CompletableFuture的complete方法可以手动完成）
2. Future 的结果在非阻塞的情况下，不能执行更进一步的操作 Future 不会通知你它已经完成了，它提供了一个阻塞的 get() 方法通知你结果。你无法给 Future 植入一个回调函数，当 Future 结果可用的时候，用该回调函数自动的调用 Future 的结果。
2. 多个 Future 不能串联在一起组成链式调用 有时候你需要执行一个长时间运行的计算任务，并且当计算任务完成的时候，你需要把它的计算结果发送给另外一个长时间运行的计算任务等等。你会发现你无法使用 Future 创建这样的一个工作流。（CompletableFuture的thenApply等方法可以链式操作）
3. 不能组合多个 Future 的结果 假设你有10个不同的Future，你想并行的运行，然后在它们运行未完成后运行一些函数。你会发现你也无法使用 Future 这样做。（allOf函数）
4. 没有异常处理 （CompletableFuture使用 exceptionally() 回调处理异常)
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