FutureTask简介
FutureTask用于异步计算，也就是支持异步执行并返回结果。FutureTask本身是一个Runable，所以可以交给Thread来运行，在提交给Thread运行后，可以有多个线程调用get来等待计算结果，并支持超时等待，同时支持cancel操作用于取消一个正在运行的FutureTask。
数据结构定义
FutureTasks实现了RunnableFuture接口，RunnableFuture扩展了Runnable和Future接口。
FutureTask内部定义了一个state来指示当前的运行状态，state会被多个线程同时修改，内部并没有使用锁来保证线程安全，而是使用了volatile和CAS。对state最终状态进行修改还是用了putOrderedInt这样的操作来做延迟写入（禁止重排序，但是不会加lock add flush缓存）。
由于支持多个线程同时进行get操作，所以内部定义了一个Treiber stack（无锁，线程安全）来保存所有在get上等待的线程，在计算完成后，会从头到尾逐个唤醒这些线程。
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
/**
* The run state of this task, initially NEW. The run state
* transitions to a terminal state only in methods set,
* setException, and cancel. During completion, state may take on
* transient values of COMPLETING (while outcome is being set) or
* INTERRUPTING (only while interrupting the runner to satisfy a
* cancel(true)). Transitions from these intermediate to final
* states use cheaper ordered/lazy writes because values are unique
* and cannot be further modified.
*
* Possible state transitions:
* NEW -> COMPLETING -> NORMAL
* NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
* NEW -> CANCELLED
* NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
*/
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;
//callable是计算结果的代码块
private Callable<V> callable;
//callable的计算结果保存在这，这个字段不是volatile的，由state的读写来保护
private Object outcome;
//运行的线程
private volatile Thread runner;
//等待结果的队列
private volatile WaitNode waiters;
}
实例化FutureTask
构造FutureTask需要传入一个callable。
public FutureTask(Callable<V> callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
this.callable = callable;
this.state = NEW; // 确保callable的可见性，因为state是volatile修饰的，
}
执行Callable
Callable需要在线程上异步执行，所以FutureTask实现了Runnable接口，在run方法里面来执行Callable来获取结果。run方法步骤如下：
- 判断状态是否能执行
- 执行callable，如果成功set结果，如果失败set异常。
- 最后判断是否外部线程发起了终端请求，如果是，则等待中断完成。
public void run() {
//确保task不会被重复执行
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 {
//执行callable的call方法获取结果
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
setException(ex);
}
if (ran)
set(result);
}
} finally {
runner = null;
//线程运行时已经接收到了中断请求，测试state为INTERRUPTING状态，需要确保state
//变成INTERRUPTED状态。INTERRUPTING->thread.interrupt()->INTERRUPTED
int s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);//内部自旋使用Thread.yeild()
}
}
Callable执行完成后，需要设置结果，并唤醒所有等待取结果的线程，state会被先cas设置成COMPLETING,如果成功则设置结果，并将最终状态设置成NORMAL。最后调用finishCompletion来唤醒所有等待线程。
protected void set(V v) {
//如果当前状态是NEW，则设置成COMPLETING
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
//设置结果
outcome = v;
//设置最终状态
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
//唤醒等待取结果的线程
finishCompletion();
}
}
唤醒等线程
private void finishCompletion() {
// assert state > COMPLETING;
//循环尝试将waiters设置成null，如果成功，则开始进行遍历，唤醒线程。
for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
for (;;) {
Thread t = q.thread;
if (t != null) {
q.thread = null;
//唤醒
LockSupport.unpark(t);
}
WaitNode next = q.next;
if (next == null)
break;
q.next = null; // unlink to help gc
q = next;
}
break;
}
}
//执行一个protect的空方法，这个方法主要是用于子类扩展，CompletionService就使用了
//这个方法将计算结果放入BlockingQueue。
done();
callable = null; // to reduce footprint
}
获取异步计算结果
使用get方法获取一个异步计算的结果，如果计算已经完成，那么立刻返回这个结果，否则线程需要挂起等待计算完成后被唤醒。如果get设置了超时时间，那么可能会因为超时被唤醒。get内部都使用了awaitDone方法。这个方法的核心就是一个自旋for(;;)，终止条件是当前线程被中断，或者task执行完成了，或者等待超时了。
awaitDone方法的编程模式比较奇怪，其实核心思想是尽量自旋以阻止线程被挂起。因此在执行每行代码时候都会做必要的检查。尽量不park线程。
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException {
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
WaitNode q = null;
boolean queued = false;
for (;;) {
//等待线程被中断了，移除等待节点
if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}
int s = state;
//计算完成，返回
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
//计算已经COMPLETING，接下很短的时间会被设置成NORMAL（纯CPU计算，无等待），并唤醒等待线程
//所以这里使用了Thread.yield () 尝试让出线程调度资源，而不是去挂起线程。
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
else if (q == null)
q = new WaitNode();
else if (!queued)
//加入等待队列的头部
queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q.next = waiters, q);
else if (timed) {
nanos = deadline - System.nanoTime();
//等待超时，将自己从等待队列中移除，并返回当前的状态。
if (nanos <= 0L) {
removeWaiter(q);
return state;
}
//将线程挂起等待被唤醒，或者超时
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
else
//将线程挂起等待被唤醒。
LockSupport.park(this);
}
}
removeWaiter将节点从队列中移除。由于不加锁，这个方法显然也是自旋+CAS，基本步骤是：
- 首先将要移除节点的thread设置成null
- 遍历链表将thread为null的节点移除
private void removeWaiter(WaitNode node) {
if (node != null) {
node.thread = null;
retry:
for (;;) { // restart on removeWaiter race
//pred前驱节点，q当前节点，s后继结点
for (WaitNode pred = null, q = waiters, s; q != null; q = s) {
s = q.next;
//thread不为null，说明是有效节点，更新前驱节点继续后移
if (q.thread != null)
pred = q;
//thread为null，需要将p节点移除，
else if (pred != null) {
//移除p节点
pred.next = s;
//判断pred节点的thread是否为null，如果为null，说明pred节点可能被
//另一个线程移除了。那么pred显然是已经脱离了链表，上一步的操作
//是无效的，需要从链表头部重新遍历。
if (pred.thread == null) // check for race
continue retry;
}
//要移除的节点是头结点，CAS将后继结点设置成头。如果失败，说明链表结构
//发生了变化，需要从链表头部重新遍历。
else if (!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q, s))
continue retry;
}
//遍历到了尾部，break
break;
}
}
}
取消任务执行
FutureTask支持取消操作，但是只能取消NEW状态的Task，处于NEW状态的Task可能线程已经启动了，但是还没完成计算。可以指定mayInterruptIfRunning=true，强制将线程中断，否则将忽略执行线程，执行线程可能会继续运行，直到结束。
public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
if (state != NEW)
return false;
if (mayInterruptIfRunning) {
if (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, INTERRUPTING))
return false;
//设置INTERRUPTING成功，开始中断线程。
Thread t = runner;
if (t != null)
t.interrupt();
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED); // final state
}
else if (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, CANCELLED))
return false;
//取消成功，唤醒所有等待get的线程
finishCompletion();
return true;
}