并发-Callable、Future和FutureTask

参考：

https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3949310.html

https://www.cnblogs.com/xiaoxi/p/8303574.html 

https://blog.csdn.net/qq_39654841/article/details/90631795

Java并发编程：Callable、Future和FutureTask

 

Java并发编程：Callable、Future和FutureTask

　　在前面的文章中我们讲述了创建线程的2种方式，一种是直接继承Thread，另外一种就是实现Runnable接口。

　　这2种方式都有一个缺陷就是：在执行完任务之后无法获取执行结果。

　　如果需要获取执行结果，就必须通过共享变量或者使用线程通信的方式来达到效果，这样使用起来就比较麻烦。

　　而自从Java 1.5开始，就提供了Callable和Future，通过它们可以在任务执行完毕之后得到任务执行结果。

　　今天我们就来讨论一下Callable、Future和FutureTask三个类的使用方法。以下是本文的目录大纲：

　　一.Callable与Runnable

　　二.Future

　　三.FutureTask

　　四.使用示例

　　若有不正之处请多多谅解，并欢迎批评指正。

　　请尊重作者劳动成果，转载请标明原文链接：

　　http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3949310.html

　　

一.Callable与Runnable

　　先说一下java.lang.Runnable吧，它是一个接口，在它里面只声明了一个run()方法：

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public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

 　　由于run()方法返回值为void类型，所以在执行完任务之后无法返回任何结果。

　　Callable位于java.util.concurrent包下，它也是一个接口，在它里面也只声明了一个方法，只不过这个方法叫做call()：

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public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

 　　可以看到，这是一个泛型接口，call()函数返回的类型就是传递进来的V类型。

　　那么怎么使用Callable呢？一般情况下是配合ExecutorService来使用的，在ExecutorService接口中声明了若干个submit方法的重载版本：

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<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);

　　第一个submit方法里面的参数类型就是Callable。

　　暂时只需要知道Callable一般是和ExecutorService配合来使用的，具体的使用方法讲在后面讲述。

　　一般情况下我们使用第一个submit方法和第三个submit方法，第二个submit方法很少使用。

二.Future

　　Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过get方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

　　Future类位于java.util.concurrent包下，它是一个接口：

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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;
}

 　　在Future接口中声明了5个方法，下面依次解释每个方法的作用：

  • cancel方法用来取消任务，如果取消任务成功则返回true，如果取消任务失败则返回false。参数mayInterruptIfRunning表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务，如果设置true，则表示可以取消正在执行过程中的任务。如果任务已经完成，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，此方法肯定返回false，即如果取消已经完成的任务会返回false；如果任务正在执行，若mayInterruptIfRunning设置为true，则返回true，若mayInterruptIfRunning设置为false，则返回false；如果任务还没有执行，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，肯定返回true。
  • isCancelled方法表示任务是否被取消成功，如果在任务正常完成前被取消成功，则返回 true。
  • isDone方法表示任务是否已经完成，若任务完成，则返回true；
  • get()方法用来获取执行结果，这个方法会产生阻塞，会一直等到任务执行完毕才返回；
  • get(long timeout, TimeUnit unit)用来获取执行结果，如果在指定时间内，还没获取到结果，就直接返回null。

　　也就是说Future提供了三种功能：

　　1）判断任务是否完成；

　　2）能够中断任务；

　　3）能够获取任务执行结果。

　　因为Future只是一个接口，所以是无法直接用来创建对象使用的，因此就有了下面的FutureTask。

三.FutureTask

　　我们先来看一下FutureTask的实现：

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public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

 　　FutureTask类实现了RunnableFuture接口，我们看一下RunnableFuture接口的实现：

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public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run();
}

 　　可以看出RunnableFuture继承了Runnable接口和Future接口，而FutureTask实现了RunnableFuture接口。所以它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值。

　　FutureTask提供了2个构造器：

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public FutureTask(Callable<V> callable) {
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
}

　　事实上，FutureTask是Future接口的一个唯一实现类。

四.使用示例

　　1.使用Callable+Future获取执行结果

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public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Task task = new Task();
        Future<Integer> result = executor.submit(task);
        executor.shutdown();
         
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("主线程在执行任务");
         
        try {
            System.out.println("task运行结果"+result.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("所有任务执行完毕");
    }
}
class Task implements Callable<Integer>{
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子线程在进行计算");
        Thread.sleep(3000);
        int sum = 0;
        for(int i=0;i<100;i++)
            sum += i;
        return sum;
    }
}

 　　执行结果：

子线程在进行计算
主线程在执行任务
task运行结果4950
所有任务执行完毕

子线程在进行计算
主线程在执行任务
task运行结果4950
所有任务执行完毕

　　2.使用Callable+FutureTask获取执行结果

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public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //第一种方式
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Task task = new Task();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
        executor.submit(futureTask);
        executor.shutdown();
         
        //第二种方式，注意这种方式和第一种方式效果是类似的，只不过一个使用的是ExecutorService，一个使用的是Thread
        /*Task task = new Task();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.start();*/
         
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("主线程在执行任务");
         
        try {
            System.out.println("task运行结果"+futureTask.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("所有任务执行完毕");
    }
}
class Task implements Callable<Integer>{
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子线程在进行计算");
        Thread.sleep(3000);
        int sum = 0;
        for(int i=0;i<100;i++)
            sum += i;
        return sum;
    }
}

 　　如果为了可取消性而使用 Future 但又不提供可用的结果，则可以声明 Future<?> 形式类型、并返回 null 作为底层任务的结果。

Java并发编程：Callable、Future和FutureTask

一、Callable 与 Runnable

先说一下java.lang.Runnable吧，它是一个接口，在它里面只声明了一个run()方法：

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

由于run()方法返回值为void类型，所以在执行完任务之后无法返回任何结果。

Callable位于java.util.concurrent包下，它也是一个接口，在它里面也只声明了一个方法，只不过这个方法叫做call()：

复制代码
public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}
复制代码

可以看到，这是一个泛型接口，该接口声明了一个名称为call()的方法，同时这个方法可以有返回值V，也可以抛出异常。call()方法返回的类型就是传递进来的V类型。

那么怎么使用Callable呢？一般情况下是配合ExecutorService来使用的，在ExecutorService接口中声明了若干个submit方法的重载版本：

<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);

第一个方法：submit提交一个实现Callable接口的任务，并且返回封装了异步计算结果的Future。

第二个方法：submit提交一个实现Runnable接口的任务，并且指定了在调用Future的get方法时返回的result对象。

第三个方法：submit提交一个实现Runnable接口的任务，并且返回封装了异步计算结果的Future。

因此我们只要创建好我们的线程对象（实现Callable接口或者Runnable接口），然后通过上面3个方法提交给线程池去执行即可。

二、Future

    Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过get方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

    Future<V>接口是用来获取异步计算结果的，说白了就是对具体的Runnable或者Callable对象任务执行的结果进行获取(get())，取消(cancel())，判断是否完成等操作。我们看看Future接口的源码：

复制代码
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;
}
复制代码

在Future接口中声明了5个方法，下面依次解释每个方法的作用：

  • cancel方法用来取消任务，如果取消任务成功则返回true，如果取消任务失败则返回false。参数mayInterruptIfRunning表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务，如果设置true，则表示可以取消正在执行过程中的任务。如果任务已经完成，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，此方法肯定返回false，即如果取消已经完成的任务会返回false；如果任务正在执行，若mayInterruptIfRunning设置为true，则返回true，若mayInterruptIfRunning设置为false，则返回false；如果任务还没有执行，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，肯定返回true。
  • isCancelled方法表示任务是否被取消成功，如果在任务正常完成前被取消成功，则返回 true。
  • isDone方法表示任务是否已经完成，若任务完成，则返回true；
  • get()方法用来获取执行结果，这个方法会产生阻塞，会一直等到任务执行完毕才返回；
  • get(long timeout, TimeUnit unit)用来获取执行结果，如果在指定时间内，还没获取到结果，就直接返回null。

也就是说Future提供了三种功能：

1）判断任务是否完成；

2）能够中断任务；

3）能够获取任务执行结果。

因为Future只是一个接口，所以是无法直接用来创建对象使用的，因此就有了下面的FutureTask。

三、FutureTask

我们先来看一下FutureTask的实现：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

FutureTask类实现了RunnableFuture接口，我们看一下RunnableFuture接口的实现：

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run();
}

可以看出RunnableFuture继承了Runnable接口和Future接口，而FutureTask实现了RunnableFuture接口。所以它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值。

分析：

FutureTask除了实现了Future接口外还实现了Runnable接口，因此FutureTask也可以直接提交给Executor执行。 当然也可以调用线程直接执行（FutureTask.run()）。接下来我们根据FutureTask.run()的执行时机来分析其所处的3种状态：

（1）未启动，FutureTask.run()方法还没有被执行之前，FutureTask处于未启动状态，当创建一个FutureTask，而且没有执行FutureTask.run()方法前，这个FutureTask也处于未启动状态。

（2）已启动，FutureTask.run()被执行的过程中，FutureTask处于已启动状态。

（3）已完成，FutureTask.run()方法执行完正常结束，或者被取消或者抛出异常而结束，FutureTask都处于完成状态。

下面我们再来看看FutureTask的方法执行示意图（方法和Future接口基本是一样的，这里就不过多描述了）

分析：

（1）当FutureTask处于未启动或已启动状态时，如果此时我们执行FutureTask.get()方法将导致调用线程阻塞；当FutureTask处于已完成状态时，执行FutureTask.get()方法将导致调用线程立即返回结果或者抛出异常。

（2）当FutureTask处于未启动状态时，执行FutureTask.cancel()方法将导致此任务永远不会执行。当FutureTask处于已启动状态时，执行cancel(true)方法将以中断执行此任务线程的方式来试图停止任务，如果任务取消成功，cancel(...)返回true；但如果执行cancel(false)方法将不会对正在执行的任务线程产生影响(让线程正常执行到完成)，此时cancel(...)返回false。当任务已经完成，执行cancel(...)方法将返回false。

最后我们给出FutureTask的两种构造函数：

public FutureTask(Callable<V> callable) {
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
}

事实上，FutureTask是Future接口的一个唯一实现类。

四、使用示例

     通过上面的介绍，我们对Callable，Future，FutureTask都有了比较清晰的了解了，那么它们到底有什么用呢？我们前面说过通过这样的方式去创建线程的话，最大的好处就是能够返回结果，加入有这样的场景，我们现在需要计算一个数据，而这个数据的计算比较耗时，而我们后面的程序也要用到这个数据结果，那么这个时Callable岂不是最好的选择？我们可以开设一个线程去执行计算，而主线程继续做其他事，而后面需要使用到这个数据时，我们再使用Future获取不就可以了吗？下面我们就来编写一个这样的实例。

1、使用Callable+Future获取执行结果

复制代码
package com.demo.test;

import java.util.concurrent.Callable;

public class Task implements Callable<Integer>{
    
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子线程在进行计算");
        Thread.sleep(3000);
        int sum = 0;
        for(int i=0;i<100;i++)
            sum += i;
        return sum;
    }

}
复制代码
复制代码
package com.demo.test;

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;

public class CallableTest {

    public static void main(String[] args) {
        //创建线程池
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        //创建Callable对象任务  
        Task task = new Task();
        //提交任务并获取执行结果  
        Future<Integer> result = executor.submit(task);
        //关闭线程池  
        executor.shutdown();
         
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("主线程在执行任务");
         
        try {
            if(result.get()!=null){  
                System.out.println("task运行结果"+result.get());
            }else{
                System.out.println("未获取到结果"); 
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("所有任务执行完毕");
    }
}
复制代码

运行结果：

子线程在进行计算
主线程在执行任务
task运行结果4950
所有任务执行完毕

2、使用Callable+FutureTask获取执行结果

复制代码
package com.demo.test;

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class CallableTest1 {
    
    public static void main(String[] args) {
        //第一种方式
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Task task = new Task();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
        executor.submit(futureTask);
        executor.shutdown();
         
        //第二种方式，注意这种方式和第一种方式效果是类似的，只不过一个使用的是ExecutorService，一个使用的是Thread
//        Task task = new Task();
//        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
//        Thread thread = new Thread(futureTask);
//        thread.start();
         
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("主线程在执行任务");
         
        try {
            if(futureTask.get()!=null){  
                System.out.println("task运行结果"+futureTask.get());
            }else{
                System.out.println("future.get()未获取到结果"); 
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("所有任务执行完毕");
    }
}
复制代码

运行结果同上。

补充：

实现Runnable接口和实现Callable接口的区别：

1、Runnable是自从java1.1就有了，而Callable是1.5之后才加上去的。

2、Callable规定的方法是call(),Runnable规定的方法是run()。

3、Callable的任务执行后可返回值，而Runnable的任务是不能返回值(是void)。

4、call方法可以抛出异常，run方法不可以。

5、运行Callable任务可以拿到一个Future对象，表示异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并检索计算的结果。通过Future对象可以了解任务执行情况，可取消任务的执行，还可获取执行结果。

6、加入线程池运行，Runnable使用ExecutorService的execute方法，Callable使用submit方法。

 

FutureTask详解

FutureTask介绍

一个可取消的异步计算。FutureTask提供了对Future的基本实现，可以调用方法去开始和取消一个计算，可以查询计算是否完成并且获取计算结果。只有当计算完成时才能获取到计算结果，一旦计算完成，计算将不能被重启或者被取消，除非调用runAndReset方法。
除了实现了Future接口以外，FutureTask还实现了Runnable接口，因此FutureTask交由Executor执行，也可以直接用线程调用执行(futureTask.run())。根据FutureTask的run方法执行的时机，FutureTask可以处于以下三种执行状态：
1、未启动：在FutureTask.run()还没执行之前，FutureTask处于未启动状态。当创建一个FutureTask对象，并且run()方法未执行之前，FutureTask处于未启动状态。
2、已启动：FutureTask对象的run方法启动并执行的过程中，FutureTask处于已启动状态。
3、已完成：FutureTask正常执行结束，或者FutureTask执行被取消(FutureTask对象cancel方法)，或者FutureTask对象run方法执行抛出异常而导致中断而结束，FutureTask都处于已完成状态。
FutureTask状态迁移图
在这里插入图片描述当FutureTask处于未启动或者已启动的状态时，调用FutureTask对象的get方法会将导致调用线程阻塞。当FutureTask处于已完成的状态时，调用FutureTask的get方法会立即放回调用结果或者抛出异常。
当FutureTask处于未启动状态时，调用FutureTask对象的cancel方法将导致线程永远不会被执行；当FutureTask处于已启动状态时，调用FutureTask对象cancel(true)方法将以中断执行此任务的线程的方式来试图停止此任务;当FutureTask处于已启动状态时，调用FutureTask对象cancel(false)方法将不会对正在进行的任务产生任何影响；当FutureTask处于已完成状态时，调用FutureTask对象cancel方法将返回false；
FutureTask的get和cancel的执行示意图
在这里插入图片描述

FutureTask使用

可以把FutureTask交给Executor执行；也可以通ExecutorService.submit（…）方法返回一个FutureTask，然后执行FutureTask.get()方法或FutureTask.cancel（…）方法。除此以外，还可以单独使用FutureTask。
当一个线程需要等待另一个线程把某个任务执行完后它才能继续执行，此时可以使用FutureTask。假设有多个线程执行若干任务，每个任务最多只能被执行一次。当多个线程试图同时执行同一个任务时，只允许一个线程执行任务，其他线程需要等待这个任务执行完后才能继续执行。下面是对应的示例代码。

private final ConcurrentMap<Object, Future<String>> taskCache = new ConcurrentHashMap<>();

    private String executionTask(final String taskName)throws ExecutionException, InterruptedException {
        while (true) {
            Future<String> future = taskCache.get(taskName); // 1.1,2.1
            if (future == null) {
                Callable<String> task = () -> taskName;
                FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(task);
                future = taskCache.putIfAbsent(taskName, futureTask); // 1.3
                if (future == null) {
                    future = futureTask;
                    futureTask.run(); // 1.4执行任务
                }
            }
            try {
                return future.get(); // 1.5,
            } catch (CancellationException e) {
                taskCache.remove(taskName, future);
            }
        }
    }

在这里插入图片描述当两个线程试图同时执行同一个任务时，如果Thread 1执行1.3后Thread 2执行2.1，那么接下来Thread 2将在2.2等待，直到Thread 1执行完1.4后Thread 2才能从2.2（FutureTask.get()）返回

FutureTask实现

jdk1.8的FutureTask有个说明：
修订说明:这与这个类以前依赖AbstractQueuedsynchronizer的版本不同，主要是为了避免在取消竞争期间保留中断状态让用户感到意外。在当前的设计中，Sync控件依赖于通过CAS更新的“state”字段来跟踪完成，以及一个简单的Treiber堆栈来保存等待的线程。
风格注意:与往常一样，我们绕过了使用 AtomicXFieldUpdaters的开销，而是直接使用Unsafe。

Future

FutureTask实现了Future接口，Future接口有5个方法：
1、boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)
尝试取消当前任务的执行。如果任务已经取消、已经完成或者其他原因不能取消，尝试将失败。如果任务还没有启动就调用了cancel(true)，任务将永远不会被执行。如果任务已经启动，参数mayInterruptIfRunning将决定任务是否应该中断执行该任务的线程，以尝试中断该任务。
如果任务不能被取消，通常是因为它已经正常完成，此时返回false，否则返回true
2、boolean isCancelled()
如果任务在正常结束之前被被取消返回true
3、boolean isDone()
正常结束、异常或者被取消导致任务完成，将返回true
4、V get()
等待任务结束，然后获取结果，如果任务在等待过程中被终端将抛出InterruptedException，如果任务被取消将抛出CancellationException，如果任务中执行过程中发生异常将抛出ExecutionException。
5、V get(long timeout, TimeUnit unit)
任务最多在给定时间内完成并返回结果，如果没有在给定时间内完成任务将抛出TimeoutException。

FutureTask状态转换

FutureTask有以下7中状态：
在这里插入图片描述
FutureTask任务的运行状态，最初为NEW。运行状态仅在set、setException和cancel方法中转换为终端状态。在完成过程中，状态可能呈现出瞬时值INTERRUPTING(仅在中断运行程序以满足cancel(true)的情况下)或者COMPLETING(在设置结果时)状态时。从这些中间状态到最终状态的转换使用成本更低的有序/延迟写，因为值是统一的，需要进一步修改。
state：表示当前任务的运行状态，FutureTask的所有方法都是围绕state开展的，state声明为volatile，保证了state的可见性，当对state进行修改时所有的线程都会看到。
NEW：表示一个新的任务，初始状态
COMPLETING：当任务被设置结果时，处于COMPLETING状态，这是一个中间状态。
NORMAL：表示任务正常结束。
EXCEPTIONAL：表示任务因异常而结束
CANCELLED：任务还未执行之前就调用了cancel(true)方法，任务处于CANCELLED
INTERRUPTING：当任务调用cancel(true)中断程序时，任务处于INTERRUPTING状态，这是一个中间状态。
INTERRUPTED：任务调用cancel(true)中断程序时会调用interrupt()方法中断线程运行，任务状态由INTERRUPTING转变为INTERRUPTED

可能的状态过渡：
 1、NEW -> COMPLETING -> NORMAL：正常结束
 2、NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL：异常结束
 3、NEW -> CANCELLED：任务被取消
 4、NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED：任务出现中断

 ExecutorService接口中submit方法归根结底还是要把你传入的对象封装成FutureTask对象，并通过FutureTask类的内部实现来获取结果的，返回的Future接口对象也要依赖于FutureTask实例化的，所以无论是直接传入自己的Runnable、Callable实现类还是构建FutureTask传入，本质上都是通过FutureTask去实现

通常我们不需要使用FutureTask类，但当我们打算重写Future接口的一些方法并保持原来基础的实现是，它就变得非常有用



 
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