大家好，我是冰河~~
在Java的多线程编程中，除了Thread类和Runnable接口外，不得不说的就是Callable接口Future接口了。使用继承Thread类或者实现Runnable接口的线程，无法返回最终的执行结果数据，只能等待线程执行完成。此时，如果想要获取线程执行后的返回结果，那么，Callable和Future就派上用场了。
Callable接口
1.Callable接口介绍
Callable接口是JDK1.5新增的泛型接口，在JDK1.8中，被声明为函数式接口，如下所示。
代码语言：javascript复制@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
V call() throws Exception;
}
在JDK 1.8中只声明有一个方法的接口为函数式接口，函数式接口可以使用@FunctionalInterface注解修饰，也可以不使用@FunctionalInterface注解修饰。只要一个接口中只包含有一个方法，那么，这个接口就是函数式接口。
在JDK中，实现Callable接口的子类如下图所示。
默认的子类层级关系图看不清，这里，可以通过IDEA右键Callable接口，选择“Layout”来指定Callable接口的实现类图的不同结构，如下所示。
这里，可以选择“Organic Layout”选项，选择后的Callable接口的子类的结构如下图所示。
在实现Callable接口的子类中，有几个比较重要的类，如下图所示。
分别是：Executors类中的静态内部类：PrivilegedCallable、PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader、RunnableAdapter和Task类下的TaskCallable。
2.实现Callable接口的重要类分析
接下来，分析的类主要有：PrivilegedCallable、PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader、RunnableAdapter和Task类下的TaskCallable。虽然这些类在实际工作中很少被直接用到，但是作为一名合格的开发工程师，设置是秃顶的资深专家来说，了解并掌握这些类的实现有助你进一步理解Callable接口，并提高专业技能（头发再掉一批，哇哈哈哈。。。）。
- PrivilegedCallable
PrivilegedCallable类是Callable接口的一个特殊实现类，它表明Callable对象有某种特权来访问系统的某种资源，PrivilegedCallable类的源代码如下所示。
代码语言：javascript复制/**
* A callable that runs under established access control settings
*/
static final class PrivilegedCallable<T> implements Callable<T> {
private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;
PrivilegedCallable(Callable<T> task) {
this.task = task;
this.acc = AccessController.getContext();
}
public T call() throws Exception {
try {
return AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<T>() {
public T run() throws Exception {
return task.call();
}
}, acc);
} catch (PrivilegedActionException e) {
throw e.getException();
}
}
}
从PrivilegedCallable类的源代码来看，可以将PrivilegedCallable看成是对Callable接口的封装，并且这个类也继承了Callable接口。
在PrivilegedCallable类中有两个成员变量，分别是Callable接口的实例对象和AccessControlContext类的实例对象，如下所示。
代码语言：javascript复制private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;
其中，AccessControlContext类可以理解为一个具有系统资源访问决策的上下文类，通过这个类可以访问系统的特定资源。通过类的构造方法可以看出，在实例化AccessControlContext类的对象时，只需要传递Callable接口子类的对象即可，如下所示。
代码语言：javascript复制PrivilegedCallable(Callable<T> task) {
this.task = task;
this.acc = AccessController.getContext();
}
AccessControlContext类的对象是通过AccessController类的getContext()方法获取的，这里，查看AccessController类的getContext()方法，如下所示。
代码语言：javascript复制public static AccessControlContext getContext(){
AccessControlContext acc = getStackAccessControlContext();
if (acc == null) {
return new AccessControlContext(null, true);
} else {
return acc.optimize();
}
}
通过AccessController的getContext()方法可以看出，首先通过getStackAccessControlContext()方法来获取AccessControlContext对象实例。如果获取的AccessControlContext对象实例为空，则通过调用AccessControlContext类的构造方法实例化，否则，调用AccessControlContext对象实例的optimize()方法返回AccessControlContext对象实例。
这里，我们先看下getStackAccessControlContext()方法是个什么鬼。
代码语言：javascript复制private static native AccessControlContext getStackAccessControlContext();
原来是个本地方法，方法的字面意思就是获取能够访问系统栈的决策上下文对象。
接下来，我们回到PrivilegedCallable类的call()方法，如下所示。
代码语言：javascript复制public T call() throws Exception {
try {
return AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<T>() {
public T run() throws Exception {
return task.call();
}
}, acc);
} catch (PrivilegedActionException e) {
throw e.getException();
}
}
通过调用AccessController.doPrivileged()方法，传递PrivilegedExceptionAction。接口对象和AccessControlContext对象，并最终返回泛型的实例对象。
首先，看下AccessController.doPrivileged()方法，如下所示。
代码语言：javascript复制@CallerSensitive
public static native <T> T
doPrivileged(PrivilegedExceptionAction<T> action,
AccessControlContext context)
throws PrivilegedActionException;
可以看到，又是一个本地方法。也就是说，最终的执行情况是将PrivilegedExceptionAction接口对象和AccessControlContext对象实例传递给这个本地方法执行。并且在PrivilegedExceptionAction接口对象的run()方法中调用Callable接口的call()方法来执行最终的业务逻辑，并且返回泛型对象。
- PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader
此类表示为在已经建立的特定访问控制和当前的类加载器下运行的Callable类，源代码如下所示。
代码语言：javascript复制/**
* A callable that runs under established access control settings and
* current ClassLoader
*/
static final class PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader<T> implements Callable<T> {
private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;
private final ClassLoader ccl;
PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader(Callable<T> task) {
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
}
this.task = task;
this.acc = AccessController.getContext();
this.ccl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
}
public T call() throws Exception {
try {
return AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<T>() {
public T run() throws Exception {
Thread t = Thread.currentThread();
ClassLoader cl = t.getContextClassLoader();
if (ccl == cl) {
return task.call();
} else {
t.setContextClassLoader(ccl);
try {
return task.call();
} finally {
t.setContextClassLoader(cl);
}
}
}
}, acc);
} catch (PrivilegedActionException e) {
throw e.getException();
}
}
}
这个类理解起来比较简单，首先，在类中定义了三个成员变量，如下所示。
代码语言：javascript复制private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;
private final ClassLoader ccl;
接下来，通过构造方法注入Callable对象，在构造方法中，首先获取系统安全管理器对象实例，通过系统安全管理器对象实例检查是否具有获取ClassLoader和设置ContextClassLoader的权限。并在构造方法中为三个成员变量赋值，如下所示。
代码语言：javascript复制PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader(Callable<T> task) {
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
}
this.task = task;
this.acc = AccessController.getContext();
this.ccl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
}
接下来，通过调用call()方法来执行具体的业务逻辑，如下所示。
代码语言：javascript复制public T call() throws Exception {
try {
return AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<T>() {
public T run() throws Exception {
Thread t = Thread.currentThread();
ClassLoader cl = t.getContextClassLoader();
if (ccl == cl) {
return task.call();
} else {
t.setContextClassLoader(ccl);
try {
return task.call();
} finally {
t.setContextClassLoader(cl);
}
}
}
}, acc);
} catch (PrivilegedActionException e) {
throw e.getException();
}
}
在call()方法中同样是通过调用AccessController类的本地方法doPrivileged，传递PrivilegedExceptionAction接口的实例对象和AccessControlContext类的对象实例。
具体执行逻辑为：在PrivilegedExceptionAction对象的run()方法中获取当前线程的ContextClassLoader对象，如果在构造方法中获取的ClassLoader对象与此处的ContextClassLoader对象是同一个对象（不止对象实例相同，而且内存地址也相同），则直接调用Callable对象的call()方法返回结果。否则，将PrivilegedExceptionAction对象的run()方法中的当前线程的ContextClassLoader设置为在构造方法中获取的类加载器对象，接下来，再调用Callable对象的call()方法返回结果。最终将当前线程的ContextClassLoader重置为之前的ContextClassLoader。
- RunnableAdapter
RunnableAdapter类比较简单，给定运行的任务和结果，运行给定的任务并返回给定的结果，源代码如下所示。
代码语言：javascript复制/**
* A callable that runs given task and returns given 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;
}
}
- TaskCallable
TaskCallable类是javafx.concurrent.Task类的静态内部类，TaskCallable类主要是实现了Callable接口并且被定义为FutureTask的类，并且在这个类中允许我们拦截call()方法来更新task任务的状态。源代码如下所示。
代码语言：javascript复制private static final class TaskCallable<V> implements Callable<V> {
private Task<V> task;
private TaskCallable() { }
@Override
public V call() throws Exception {
task.started = true;
task.runLater(() -> {
task.setState(State.SCHEDULED);
task.setState(State.RUNNING);
});
try {
final V result = task.call();
if (!task.isCancelled()) {
task.runLater(() -> {
task.updateValue(result);
task.setState(State.SUCCEEDED);
});
return result;
} else {
return null;
}
} catch (final Throwable th) {
task.runLater(() -> {
task._setException(th);
task.setState(State.FAILED);
});
if (th instanceof Exception) {
throw (Exception) th;
} else {
throw new Exception(th);
}
}
}
}
从TaskCallable类的源代码可以看出，只定义了一个Task类型的成员变量。下面主要分析TaskCallable类的call()方法。
当程序的执行进入到call()方法时，首先将task对象的started属性设置为true，表示任务已经开始，并且将任务的状态依次设置为State.SCHEDULED和State.RUNNING，依次触发任务的调度事件和运行事件。如下所示。
代码语言：javascript复制task.started = true;
task.runLater(() -> {
task.setState(State.SCHEDULED);
task.setState(State.RUNNING);
});
接下来，在try代码块中执行Task对象的call()方法，返回泛型对象。如果任务没有被取消，则更新任务的缓存，将调用call()方法返回的泛型对象绑定到Task对象中的ObjectProperty对象中，其中，ObjectProperty在Task类中的定义如下。
代码语言：javascript复制private final ObjectProperty<V> value = new SimpleObjectProperty<>(this, "value");
接下来，将任务的状态设置为成功状态。如下所示。
代码语言：javascript复制try {
final V result = task.call();
if (!task.isCancelled()) {
task.runLater(() -> {
task.updateValue(result);
task.setState(State.SUCCEEDED);
});
return result;
} else {
return null;
}
}
如果程序抛出了异常或者错误，会进入catch()代码块，设置Task对象的Exception信息并将状态设置为State.FAILED，也就是将任务标记为失败。接下来，判断异常或错误的类型，如果是Exception类型的异常，则直接强转为Exception类型的异常并抛出。否则，将异常或者错误封装为Exception对象并抛出，如下所示。
代码语言：javascript复制catch (final Throwable th) {
task.runLater(() -> {
task._setException(th);
task.setState(State.FAILED);
});
if (th instanceof Exception) {
throw (Exception) th;
} else {
throw new Exception(th);
}
}
两种异步模型与深度解析Future接口
两种异步模型
在Java的并发编程中，大体上会分为两种异步编程模型，一类是直接以异步的形式来并行运行其他的任务，不需要返回任务的结果数据。一类是以异步的形式运行其他任务，需要返回结果。
1.无返回结果的异步模型
无返回结果的异步任务，可以直接将任务丢进线程或线程池中运行，此时，无法直接获得任务的执行结果数据，一种方式是可以使用回调方法来获取任务的运行结果。
具体的方案是：定义一个回调接口，并在接口中定义接收任务结果数据的方法，具体逻辑在回调接口的实现类中完成。将回调接口与任务参数一同放进线程或线程池中运行，任务运行后调用接口方法，执行回调接口实现类中的逻辑来处理结果数据。这里，给出一个简单的示例供参考。
- 定义回调接口
package io.binghe.concurrent.lab04;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 定义回调接口
*/
public interface TaskCallable<T> {
T callable(T t);
}
便于接口的通用型，这里为回调接口定义了泛型。
- 定义任务结果数据的封装类
package io.binghe.concurrent.lab04;
import java.io.Serializable;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 任务执行结果
*/
public class TaskResult implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 8678277072402730062L;
/**
* 任务状态
*/
private Integer taskStatus;
/**
* 任务消息
*/
private String taskMessage;
/**
* 任务结果数据
*/
private String taskResult;
//省略getter和setter方法
@Override
public String toString() {
return "TaskResult{"
"taskStatus=" taskStatus
", taskMessage='" taskMessage '''
", taskResult='" taskResult '''
'}';
}
}
- 创建回调接口的实现类
回调接口的实现类主要用来对任务的返回结果进行相应的业务处理，这里，为了方便演示，只是将结果数据返回。大家需要根据具体的业务场景来做相应的分析和处理。
代码语言：javascript复制package io.binghe.concurrent.lab04;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 回调函数的实现类
*/
public class TaskHandler implements TaskCallable<TaskResult> {
@Override
public TaskResult callable(TaskResult taskResult) {
//TODO 拿到结果数据后进一步处理
System.out.println(taskResult.toString());
return taskResult;
}
}
- 创建任务的执行类
任务的执行类是具体执行任务的类，实现Runnable接口，在此类中定义一个回调接口类型的成员变量和一个String类型的任务参数（模拟任务的参数），并在构造方法中注入回调接口和任务参数。在run方法中执行任务，任务完成后将任务的结果数据封装成TaskResult对象，调用回调接口的方法将TaskResult对象传递到回调方法中。
代码语言：javascript复制package io.binghe.concurrent.lab04;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 任务执行类
*/
public class TaskExecutor implements Runnable{
private TaskCallable<TaskResult> taskCallable;
private String taskParameter;
public TaskExecutor(TaskCallable<TaskResult> taskCallable, String taskParameter){
this.taskCallable = taskCallable;
this.taskParameter = taskParameter;
}
@Override
public void run() {
//TODO 一系列业务逻辑,将结果数据封装成TaskResult对象并返回
TaskResult result = new TaskResult();
result.setTaskStatus(1);
result.setTaskMessage(this.taskParameter);
result.setTaskResult("异步回调成功");
taskCallable.callable(result);
}
}
到这里，整个大的框架算是完成了，接下来，就是测试看能否获取到异步任务的结果了。
- 异步任务测试类
package io.binghe.concurrent.lab04;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 测试回调
*/
public class TaskCallableTest {
public static void main(String[] args){
TaskCallable<TaskResult> taskCallable = new TaskHandler();
TaskExecutor taskExecutor = new TaskExecutor(taskCallable, "测试回调任务");
new Thread(taskExecutor).start();
}
}
在测试类中，使用Thread类创建一个新的线程，并启动线程运行任务。运行程序最终的接口数据如下所示。
代码语言：javascript复制TaskResult{taskStatus=1, taskMessage='测试回调任务', taskResult='异步回调成功'}
大家可以细细品味下这种获取异步结果的方式。这里，只是简单的使用了Thread类来创建并启动线程，也可以使用线程池的方式实现。大家可自行实现以线程池的方式通过回调接口获取异步结果。
2.有返回结果的异步模型
尽管使用回调接口能够获取异步任务的结果，但是这种方式使用起来略显复杂。在JDK中提供了可以直接返回异步结果的处理方案。最常用的就是使用Future接口或者其实现类FutureTask来接收任务的返回结果。
- 使用Future接口获取异步结果
使用Future接口往往配合线程池来获取异步执行结果，如下所示。
代码语言：javascript复制package io.binghe.concurrent.lab04;
import java.util.concurrent.*;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 测试Future获取异步结果
*/
public class FutureTest {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
Future<String> future = executorService.submit(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
return "测试Future获取异步结果";
}
});
System.out.println(future.get());
executorService.shutdown();
}
}
运行结果如下所示。
代码语言：javascript复制测试Future获取异步结果
- 使用FutureTask类获取异步结果
FutureTask类既可以结合Thread类使用也可以结合线程池使用，接下来，就看下这两种使用方式。
结合Thread类的使用示例如下所示。
代码语言：javascript复制package io.binghe.concurrent.lab04;
import java.util.concurrent.*;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 测试FutureTask获取异步结果
*/
public class FutureTaskTest {
public static void main(String[] args)throws ExecutionException, InterruptedException{
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
return "测试FutureTask获取异步结果";
}
});
new Thread(futureTask).start();
System.out.println(futureTask.get());
}
}
运行结果如下所示。
代码语言：javascript复制测试FutureTask获取异步结果
结合线程池的使用示例如下。
代码语言：javascript复制package io.binghe.concurrent.lab04;
import java.util.concurrent.*;
/**
* @author binghe
* @version 1.0.0
* @description 测试FutureTask获取异步结果
*/
public class FutureTaskTest {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
return "测试FutureTask获取异步结果";
}
});
executorService.execute(futureTask);
System.out.println(futureTask.get());
executorService.shutdown();
}
}
运行结果如下所示。
代码语言：javascript复制测试FutureTask获取异步结果
可以看到使用Future接口或者FutureTask类来获取异步结果比使用回调接口获取异步结果简单多了。注意：实现异步的方式很多，这里只是用多线程举例。
接下来，就深入分析下Future接口。
深度解析Future接口
1.Future接口
Future是JDK1.5新增的异步编程接口，其源代码如下所示。
代码语言：javascript复制package java.util.concurrent;
public interface Future<V> {
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
boolean isCancelled();
boolean isDone();
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
可以看到，在Future接口中，总共定义了5个抽象方法。接下来，就分别介绍下这5个方法的含义。
- cancel(boolean)
取消任务的执行，接收一个boolean类型的参数，成功取消任务，则返回true，否则返回false。当任务已经完成，已经结束或者因其他原因不能取消时，方法会返回false，表示任务取消失败。当任务未启动调用了此方法，并且结果返回true（取消成功），则当前任务不再运行。如果任务已经启动，会根据当前传递的boolean类型的参数来决定是否中断当前运行的线程来取消当前运行的任务。
- isCancelled()
判断任务在完成之前是否被取消，如果在任务完成之前被取消，则返回true；否则，返回false。
这里需要注意一个细节：只有任务未启动，或者在完成之前被取消，才会返回true，表示任务已经被成功取消。其他情况都会返回false。
- isDone()
判断任务是否已经完成，如果任务正常结束、抛出异常退出、被取消，都会返回true，表示任务已经完成。
- get()
当任务完成时，直接返回任务的结果数据；当任务未完成时，等待任务完成并返回任务的结果数据。
- get(long, TimeUnit)
当任务完成时，直接返回任务的结果数据；当任务未完成时，等待任务完成，并设置了超时等待时间。在超时时间内任务完成，则返回结果；否则，抛出TimeoutException异常。
2.RunnableFuture接口
Future接口有一个重要的子接口，那就是RunnableFuture接口，RunnableFuture接口不但继承了Future接口，而且继承了java.lang.Runnable接口，其源代码如下所示。
代码语言：javascript复制package java.util.concurrent;
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
void run();
}
这里，问一下，RunnableFuture接口中有几个抽象方法？想好了再说！哈哈哈。。。
这个接口比较简单run()方法就是运行任务时调用的方法。
3.FutureTask类
FutureTask类是RunnableFuture接口的一个非常重要的实现类，它实现了RunnableFuture接口、Future接口和Runnable接口的所有方法。FutureTask类的源代码比较多，这个就不粘贴了，大家自行到java.util.concurrent下查看。
（1）FutureTask类中的变量与常量
在FutureTask类中首先定义了一个状态变量state，这个变量使用了volatile关键字修饰，这里，大家只需要知道volatile关键字通过内存屏障和禁止重排序优化来实现线程安全，后续会单独深度分析volatile关键字是如何保证线程安全的。紧接着，定义了几个任务运行时的状态常量，如下所示。
代码语言：javascript复制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;
其中，代码注释中给出了几个可能的状态变更流程，如下所示。
代码语言：javascript复制NEW -> COMPLETING -> NORMAL
NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
NEW -> CANCELLED
NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
接下来，定义了其他几个成员变量，如下所示。
代码语言：javascript复制private Callable<V> callable;
private Object outcome;
private volatile Thread runner;
private volatile WaitNode waiters;
又看到我们所熟悉的Callable接口了，Callable接口那肯定就是用来调用call()方法执行具体任务了。
- outcome：Object类型，表示通过get()方法获取到的结果数据或者异常信息。
- runner：运行Callable的线程，运行期间会使用CAS保证线程安全，这里大家只需要知道CAS是Java保证线程安全的一种方式，后续文章中会深度分析CAS如何保证线程安全。
- waiters：WaitNode类型的变量，表示等待线程的堆栈，在FutureTask的实现中，会通过CAS结合此堆栈交换任务的运行状态。
看一下WaitNode类的定义，如下所示。
代码语言：javascript复制static final class WaitNode {
volatile Thread thread;
volatile WaitNode next;
WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}
可以看到，WaitNode类是FutureTask类的静态内部类，类中定义了一个Thread成员变量和指向下一个WaitNode节点的引用。其中通过构造方法将thread变量设置为当前线程。
（2）构造方法
接下来，是FutureTask的两个构造方法，比较简单，如下所示。
代码语言：javascript复制public FutureTask(Callable<V> callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
this.callable = callable;
this.state = NEW;
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
this.callable = Executors.callable(runnable, result);
this.state = NEW;
}
（3）是否取消与完成方法
继续向下看源码，看到一个任务是否取消的方法，和一个任务是否完成的方法，如下所示。
代码语言：javascript复制public boolean isCancelled() {
return state >= CANCELLED;
}
public boolean isDone() {
return state != NEW;
}
这两方法中，都是通过判断任务的状态来判定任务是否已取消和已完成的。为啥会这样判断呢？再次查看FutureTask类中定义的状态常量发现，其常量的定义是有规律的，并不是随意定义的。其中，大于或者等于CANCELLED的常量为CANCELLED、INTERRUPTING和INTERRUPTED，这三个状态均可以表示线程已经被取消。当状态不等于NEW时，可以表示任务已经完成。
通过这里，大家可以学到一点：以后在编码过程中，要按照规律来定义自己使用的状态，尤其是涉及到业务中有频繁的状态变更的操作，有规律的状态可使业务处理变得事半功倍，这也是通过看别人的源码设计能够学到的，这里，建议大家还是多看别人写的优秀的开源框架的源码。
（4）取消方法
我们继续向下看源码，接下来，看到的是cancel(boolean)方法，如下所示。
代码语言：javascript复制public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
if (!(state == NEW &&
UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
return false;
try { // in case call to interrupt throws exception
if (mayInterruptIfRunning) {
try {
Thread t = runner;
if (t != null)
t.interrupt();
} finally { // final state
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
}
}
} finally {
finishCompletion();
}
return true;
}
接下来，拆解cancel(boolean)方法。在cancel(boolean)方法中，首先判断任务的状态和CAS的操作结果，如果任务的状态不等于NEW或者CAS的操作返回false，则直接返回false，表示任务取消失败。如下所示。
代码语言：javascript复制if (!(state == NEW &&
UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
return false;
接下来，在try代码块中，首先判断是否可以中断当前任务所在的线程来取消任务的运行。如果可以中断当前任务所在的线程，则以一个Thread临时变量来指向运行任务的线程，当指向的变量不为空时，调用线程对象的interrupt()方法来中断线程的运行，最后将线程标记为被中断的状态。如下所示。
代码语言：javascript复制try {
if (mayInterruptIfRunning) {
try {
Thread t = runner;
if (t != null)
t.interrupt();
} finally { // final state
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
}
}
}
这里，发现变更任务状态使用的是UNSAFE.putOrderedInt()方法，这个方法是个什么鬼呢？点进去看一下，如下所示。
代码语言：javascript复制public native void putOrderedInt(Object var1, long var2, int var4);
可以看到，又是一个本地方法，嘿嘿，这里先不管它，后续文章会详解这些方法的作用。
接下来，cancel(boolean)方法会进入finally代码块，如下所示。
代码语言：javascript复制finally {
finishCompletion();
}
可以看到在finallly代码块中调用了finishCompletion()方法，顾名思义，finishCompletion()方法表示结束任务的运行，接下来看看它是如何实现的。点到finishCompletion()方法中看一下，如下所示。
代码语言：javascript复制private void finishCompletion() {
// assert state > COMPLETING;
for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
for (;;) {
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
}
在finishCompletion()方法中，首先定义一个for循环，循环终止因子为waiters为null，在循环中，判断CAS操作是否成功，如果成功进行if条件中的逻辑。首先，定义一个for自旋循环，在自旋循环体中，唤醒WaitNode堆栈中的线程，使其运行完成。当WaitNode堆栈中的线程运行完成后，通过break退出外层for循环。接下来调用done()方法。done()方法又是个什么鬼呢？点进去看一下，如下所示。
代码语言：javascript复制protected void done() { }
可以看到，done()方法是一个空的方法体，交由子类来实现具体的业务逻辑。
当我们的具体业务中，需要在取消任务时，执行一些额外的业务逻辑，可以在子类中覆写done()方法的实现。
（5）get()方法
继续向下看FutureTask类的代码，FutureTask类中实现了两个get()方法，如下所示。
代码语言：javascript复制public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}
public V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
if (unit == null)
throw new NullPointerException();
int s = state;
if (s <= COMPLETING &&
(s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
throw new TimeoutException();
return report(s);
}
没参数的get()方法为当任务未运行完成时，会阻塞，直到返回任务结果。有参数的get()方法为当任务未运行完成，并且等待时间超出了超时时间，会TimeoutException异常。
两个get()方法的主要逻辑差不多，一个没有超时设置，一个有超时设置，这里说一下主要逻辑。判断任务的当前状态是否小于或者等于COMPLETING，也就是说，任务是NEW状态或者COMPLETING，调用awaitDone()方法，看下awaitDone()方法的实现，如下所示。
代码语言：javascript复制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()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}
int s = state;
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
else if (q == null)
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);
}
}
接下来，拆解awaitDone()方法。在awaitDone()方法中，最重要的就是for自旋循环，在循环中首先判断当前线程是否被中断，如果已经被中断，则调用removeWaiter()将当前线程从堆栈中移除，并且抛出InterruptedException异常，如下所示。
代码语言：javascript复制if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}
接下来，判断任务的当前状态是否完成，如果完成，并且堆栈句柄不为空，则将堆栈中的当前线程设置为空，返回当前任务的状态，如下所示。
代码语言：javascript复制int s = state;
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
当任务的状态为COMPLETING时，使当前线程让出CPU资源，如下所示。
代码语言：javascript复制else if (s == COMPLETING)
Thread.yield();
如果堆栈为空，则创建堆栈对象，如下所示。
代码语言：javascript复制else if (q == null)
q = new WaitNode();
如果queued变量为false，通过CAS操作为queued赋值，如果awaitDone()方法传递的timed参数为true，则计算超时时间，当时间已超时，则在堆栈中移除当前线程并返回任务状态，如下所示。如果未超时，则重置超时时间，如下所示。
代码语言：javascript复制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);
}
如果不满足上述的所有条件，则将当前线程设置为等待状态，如下所示。
代码语言：javascript复制else
LockSupport.park(this);
接下来，回到get()方法中，当awaitDone()方法返回结果，或者任务的状态不满足条件时，都会调用report()方法，并将当前任务的状态传递到report()方法中，并返回结果，如下所示。
代码语言：javascript复制return report(s);
看来，这里还要看下report()方法啊，点进去看下report()方法的实现，如下所示。
代码语言：javascript复制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);
}
可以看到，report()方法的实现比较简单，首先，将outcome数据赋值给x变量，接下来，主要是判断接收到的任务状态，如果状态为NORMAL，则将x强转为泛型类型返回；当任务的状态大于或者等于CANCELLED，也就是任务已经取消，则抛出CancellationException异常，其他情况则抛出ExecutionException异常。
至此，get()方法分析完成。注意：一定要理解get()方法的实现，因为get()方法是我们使用Future接口和FutureTask类时，使用的比较频繁的一个方法。
（6）set()方法与setException()方法
继续看FutureTask类的代码，接下来看到的是set()方法与setException()方法，如下所示。
代码语言：javascript复制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();
}
}
通过源码可以看出，set()方法与setException()方法整体逻辑几乎一样，只是在设置任务状态时一个将状态设置为NORMAL，一个将状态设置为EXCEPTIONAL。
至于finishCompletion()方法，前面已经分析过。
（7）run()方法与runAndReset()方法
接下来，就是run()方法了，run()方法的源代码如下所示。
代码语言：javascript复制public void run() {
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
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);
}
}
可以这么说，只要使用了Future和FutureTask，就必然会调用run()方法来运行任务，掌握run()方法的流程是非常有必要的。在run()方法中，如果当前状态不是NEW，或者CAS操作返回的结果为false，则直接返回，不再执行后续逻辑，如下所示。
代码语言：javascript复制if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return;
接下来，在try代码块中，将成员变量callable赋值给一个临时变量c，判断临时变量不等于null，并且任务状态为NEW，则调用Callable接口的call()方法，并接收结果数据。并将ran变量设置为true。当程序抛出异常时，将接收结果的变量设置为null，ran变量设置为false，并且调用setException()方法将任务的状态设置为EXCEPTIONA。接下来，如果ran变量为true，则调用set()方法，如下所示。
代码语言：javascript复制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);
}
}
接下来，程序会进入finally代码块中，如下所示。
代码语言：javascript复制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);
}
这里，将runner设置为null，如果任务的当前状态大于或者等于INTERRUPTING，也就是线程被中断了。则调用handlePossibleCancellationInterrupt()方法，接下来，看下handlePossibleCancellationInterrupt()方法的实现。
代码语言：javascript复制private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) {
if (s == INTERRUPTING)
while (state == INTERRUPTING)
Thread.yield();
}
可以看到，handlePossibleCancellationInterrupt()方法的实现比较简单，当任务的状态为INTERRUPTING时，使用while()循环，条件为当前任务状态为INTERRUPTING，将当前线程占用的CPU资源释放，也就是说，当任务运行完成后，释放线程所占用的资源。
runAndReset()方法的逻辑与run()差不多，只是runAndReset()方法会在finally代码块中将任务状态重置为NEW。runAndReset()方法的源代码如下所示，就不重复说了。
代码语言：javascript复制protected boolean runAndReset() {
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return false;
boolean ran = false;
int s = state;
try {
Callable<V> c = callable;
if (c != null && s == NEW) {
try {
c.call(); // don't set result
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
setException(ex);
}
}
} 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
s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
return ran && s == NEW;
}
（8）removeWaiter()方法
removeWaiter()方法中主要是使用自旋循环的方式来移除WaitNode中的线程，比较简单，如下所示。
代码语言：javascript复制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;
if (q.thread != null)
pred = q;
else if (pred != null) {
pred.next = s;
if (pred.thread == null) // check for race
continue retry;
}
else if (!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q, s))
continue retry;
}
break;
}
}
}
最后，在FutureTask类的最后，有如下代码。
代码语言：javascript复制// Unsafe mechanics
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long stateOffset;
private static final long runnerOffset;
private static final long waitersOffset;
static {
try {
UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class<?> k = FutureTask.class;
stateOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("state"));
runnerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("runner"));
waitersOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("waiters"));
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
关于这些代码的作用，会在后续深度解析CAS文章中详细说明，这里就不再探讨。
至此，关于Future接口和FutureTask类的源码就分析完了。
