Future详解

作者: HannahLi_9f1c | 来源:发表于2020-12-13 11:50 被阅读0次

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)

参考：https://juejin.im/post/6844904199625375757

Future详解

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