怎么获取Thread返回值？（FutureTask解读）

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青鱼
    阅读 13 分钟
    7
    堕落的人生啊……

    如何获取Thread返回值？

    偶然间看到这个问题，对于标配jdk1.8的我们是不是分分钟拍出答案？
    答曰：简单，Callable，完美解决，下一题……

    可是，身处jdk1.4（甚至更早）的前辈们，要怎么做才能拿到线程返回值呢？或者说，禁用Callable技能，怎么获取线程返回值？
    嗯，这似乎是线程间通信的问题；只有Runnable作为武器，有些麻烦，接受挑战！

    首先，定义任务Task

    // 任务Task
class Task implements Runnable{

    @Getter
    Object result;    //返回值

    @Override
    public void run() {
        try {
            // 模拟某耗时逻辑
            System.out.println(String.format("[%s] 执行中..",Thread.currentThread().getName()));
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2L);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 计算得到最终结果
        result = Integer.valueOf(9987);
        
        System.out.println(String.format("[%s] 执行完毕..",Thread.currentThread().getName()));
    }
}

    之后，启动线程

    public static void main(String[] args) {
    // 使用了内部类，采用如下方式new
    CallbackTest callbackTest = new CallbackTest();
    Task task = callbackTest.new Task();
    
    final String threadName = "T-1";
    Thread thread = new Thread(task,threadName);

    thread.start();
    
}

    好，T-1线程启动了，看样子能很好的执行任务，问题是main方法中怎么获取到Task的返回值result呢？
    以目前的代码运行，效果绝对是T-1线程单飞，和main线程没啥联系。

    我有一项能力，总是能第一时间相当最简易的方法。

    简单方式

    main线程辛苦些，多跑跑腿检查下result的状态：

    public static void main(String[] args) {
    CallbackTest callbackTest = new CallbackTest();
    Task task = callbackTest.new Task();
    final String threadName = "T-1";
    Thread thread = new Thread(task,threadName);
    thread.start();
    
    // main线程频繁检查T-1线程
    while (true){
        if(task.getResult()!=null){
            System.out.println(String.format("结果 task=%s",task.getResult()));
            break;
        }

        // 让cpu稍微冷静一下
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200L);
        System.out.println(String.format("[main] 勤劳检查result中（result=%s）",task.getResult()));
    }
}

    运行效果，可能是这样的：

    [T-1] 执行中..
[main] 勤劳检查result中（result=null）
[main] 勤劳检查result中（result=null）
[main] 勤劳检查result中（result=null）
[main] 勤劳检查result中（result=null）
[main] 勤劳检查result中（result=null）
[main] 勤劳检查result中（result=null）
[main] 勤劳检查result中（result=null）
[main] 勤劳检查result中（result=null）
[main] 勤劳检查result中（result=null）
[T-1] 执行完毕..
[main] 勤劳检查result中（result=9987）
结果 task=9987

    虽然已加入了对cpu而言人性化的休眠方法（sleep），但这依然不是个很好的方案。该方案极大的操劳了main线程，需要一遍遍的检查子线程的运行情况——子线程是否将最终结果赋值。
    那有没有一种方式，可以在T-1运行完之后，告诉main线程呢？
    作为一个老派（技术陈旧）的程序员，我首先想到的是wait..notify组合

    wait..notify组合方式

    • wait部分，检查result值，如果为null则表示T-1还未执行完，安心等待
    public static void main(String[] args){

        CallbackTest callbackTest = new CallbackTest();
        Task task = callbackTest.new Task();
        final String threadName = "T-1";
        Thread thread = new Thread(task,threadName);
        thread.start();

        while (true){
            //检查result状态，还没有赋值，则等待
            if(task.getResult()==null){
                System.out.println(String.format("[%s] 等待执行..",Thread.currentThread().getName()));
                synchronized (task){
                    try {
                        task.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }

            if(task.getResult()!=null){
                System.out.println(String.format("结果 task=%s",task.getResult()));
                break;
            }
        }

    }
    • notify部分，增加唤醒逻辑
    class Task implements Runnable{

    @Getter
    Object result;
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(String.format("[%s] 执行中..",Thread.currentThread().getName()));
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2L);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    
        result = Integer.valueOf(9987);
    
        //唤醒wait的对象
        synchronized (this){
            this.notify();
        }
        System.out.println(String.format("[%s] 执行完毕..",Thread.currentThread().getName()));
    }
}

    改造后，执行效果如下：

    [T-1] 执行中..
[main] 等待执行..
[T-1] 执行完毕..
结果 task=9987

    LockSupport实现

    其实也可以使用LockSupport实现，和 wait / notify 类似，直接贴出完整代码吧：

    public class CallbackTest {
    class Task implements Runnable{
    
        @Getter
        Object result;
    
        // 构造函数传入调用线程（main线程）
        Thread runner;
        Task(Thread runner){
            this.runner = runner;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(String.format("[%s] 执行中..",Thread.currentThread().getName()));
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
    
            result = Integer.valueOf(9987);
    
            //唤醒main线程
            synchronized (this){
                LockSupport.unpark(runner);
            }
            System.out.println(String.format("[%s] 执行完毕..",Thread.currentThread().getName()));
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
    
        CallbackTest callbackTest = new CallbackTest();
        Task task = callbackTest.new Task(Thread.currentThread());
        final String threadName = "T-1";
        Thread thread = new Thread(task,threadName);
    
        thread.start();
    
        while (true){
            if(task.getResult()==null){
                System.out.println(String.format("[%s] 等待执行..",Thread.currentThread().getName()));
                LockSupport.park(); //main线程阻塞
            }
    
            if(task.getResult()!=null){
                System.out.println(String.format("结果 task=%s",task.getResult()));
                break;
            }
        }
    
    }
}

    Callable使用

    至此，我们相当于可以用自己的方式获取到Thread的返回值了，此时回顾下文章开始初的解答：

    偶然间看到这个问题，对于标配`jdk1.8`的我们是不是分分钟拍出答案？
答曰：简单，`Callable`，完美解决，下一题……

    当时很自然的就回答了Callable，先看看它是怎么用的。

    public class CallbackTest {

    class Task implements Callable<Object> {
    
        @Override
        public Object call() {
            try {
                // 某耗时逻辑
                System.out.println(String.format("[%s] 执行中..",Thread.currentThread().getName()));
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
    
            return Integer.valueOf(9987);
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {

        CallbackTest callbackTest = new CallbackTest();
        Task task = callbackTest.new Task();

        ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Future<Object> future = es.submit(task);
        System.out.println("结果："+future.get());

        es.shutdown();

    }
}

    代码并不复杂，demo 中获取返回值的方式是future.get()，这是一个阻塞方法；在子线程执行完（return）之前会一直阻塞。没用过的开发兄弟（姐妹？）们自行科普吧，不多解释了。

    Callable源码如下：

    @FunctionalInterface
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;
}

    Callable本身就一接口，没什么玄机，玄机在 Future 或者说FutureTask上。

    重头戏来了，看看源码是怎么实现从其它线程获取返回值的。

    FutureTask解析

    先瞧瞧FutureTask的江湖地位：
    clipboard.png

    可以看出，FutureTask是Future接口和Runnable接口的实现类。
    此事留个大概印象，我们来看下FutureTask是怎么和Callable关联上的？

    FutureTask和Callable的关系

    （可对照下文，追下源码；如果实在不理解，可直接跳到本章节末尾结论处）

    ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();
Future<Object> future = es.submit(task);

    以例子中的ExecutorService的submit方法作为入口，实际的实现方法为AbstractExecutorService的submit：

    /* `AbstractExecutorService` */
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
    if (task == null) throw new NullPointerException();
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);    //注释1-构建了FutureTask
    execute(ftask);    //注释2-最终会调用ftask的run方法，也就是调用`步骤1构建的FutureTask对象的run方法
    return ftask;
}
...

protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
    return new FutureTask<T>(callable);    //1.1-调用FutureTask的构造函数
}
    • 注释1 - 观察FutureTask的构造函数：
    
// callable是FutureTask的成员变量
private Callable<V> callable;
    
public FutureTask(Callable<V> callable) {
    if (callable == null)
        throw new NullPointerException();
    this.callable = callable;    //为成员变量赋值
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

    结论1：经ExecutorService的穿针引线，Callable会最终赋值给FutureTask的成员变量

    • 注释2 - 再次追踪下执行部分，注意看注释的分析：
    /* `AbstractExecutorService`的`submit` */
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
    ...
    execute(ftask);    //注释2-最终会调用ftask的run方法，也就是调用`步骤1构建的FutureTask对象的run方法
    ...
}

    ↓↓↓↓↓
    ↓↓↓↓↓

/* ThreadPoolExecutor的execute */
public void execute(Runnable command) {
    ...
    addWorker(null, false);    //添加到worker中
    ...
}

    ↓↓↓↓↓
    ↓↓↓↓↓
    
/* ThreadPoolExecutor的addWorker */
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    w = new Worker(firstTask);    //`Worker`封装
    final Thread t = w.thread;
    
    ...
            t.start();    //注释3-worker中的thread执行start方法，会调用对应Runnable的run方法
    ...
}

    ↓↓↓↓↓
    ↓↓↓↓↓
    
/* 内部类`Work` */
final Thread thread;    // 成员变量
Runnable firstTask;    // 成员变量

Worker(Runnable firstTask) {
    setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
    this.firstTask = firstTask;    //赋值成员变量firstTask
    this.thread = getThreadFactory().newThread(this);    //创建新线程，并赋值成员变量thread
}

// 3.1-`注释3`处的start，会执行此处的run方法，进而会调用runWorker方法
public void run() {
    runWorker(this);
}

final void runWorker(Worker w) {
    ...
    Runnable task = w.firstTask;
    ...
                    task.run();    //##### 注意了，最终会调用到此处 #####
    ...
}

    task.run()中的task又是什么呢，就是在最开始赋值的FutureTask（注释1处），看下它的run方法

    public void run() {
    ...
        Callable<V> c = callable;
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran;
            try {
                result = c.call();    //会调用callable的call方法，这个方法中就是我们自己定义的逻辑
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
                result = null;
                ran = false;
                setException(ex);
            }
            if (ran)
                set(result);    //注释4-赋值动作
        }
    ...
}

    结论2：调用过程，经过一系列周转，最终会调用Callable的call方法（也就是我们的自定义逻辑）

    • 注释4 - 看下此处的赋值动作
    //成员变量
private Object outcome;

protected void set(V v) {
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = v;    //赋值给成员变量
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

    综上，可得出结论：FutureTask包装了Callable，执行期call方法后，将返回值赋值给成员变量

    接下来探索下返回值的获取，即Future.get()的实现。

    返回值获取

    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING)    // 1-未完成状态，线程阻塞
        s = awaitDone(false, 0L);
    return report(s);    // 2-已完成状态，直接获取
}

// 1.1-阻塞
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException {
    ...
        LockSupport.park(this);    //阻塞
    ...

// 2.1-返回了outcome
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);
}

    get() 的逻辑并不复杂：

    1. 判断状态，如果此时还未执行完，或者说还未给成员变量outcome（call() 方法返回值的引用）赋值，阻塞
    2. 如果此时已经给outcome赋值，则将该对象返回

    怎么样，是不是有点似曾相识？这和我们自己实现的那一版的逻辑是一致的！
    再次看下set() 方法，里面应该会有LockSupport.unpark(Thread t) 方法。

    protected void set(V v) {
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = v;
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
        finishCompletion();    //这里看上去很可疑
    }
}

private void finishCompletion() {
    // assert state > COMPLETING;
    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
        if (WAITERS.weakCompareAndSet(this, q, null)) {
            for (;;) {
                Thread t = q.thread;
                if (t != null) {
                    q.thread = null;
                    LockSupport.unpark(t);    //吼吼吼，抓到你了，果然有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
}

    果然找到了park方法对应的unpark，证明我们的推断是正确的——FutureTask的核心实现思路，与我们自己的实现方式是一致的（尤其LockSupport版本），即子线程未完成时阻塞，已完成时释放。

    主逻辑分析完了，再来两个开胃甜点。

    关注点

    LockSupport

    对比自己和源码的实现，都用LockSupport，使用的阻塞方法却不相同——park() vs park(Object blocker)

    差别在哪？引用官方文档的解释：

    The three forms of park each also support a blocker object parameter. 
This object is recorded while the thread is blocked to permit monitoring and diagnostic tools to identify the reasons that threads are blocked. 
当线程被阻塞时记录此对象，以允许监视和诊断工具识别线程被阻塞的原因。
(Such tools may access blockers using method getBlocker(java.lang.Thread).) 

The use of these forms rather than the original forms without this parameter is strongly encouraged. 
有参数的park(Object blocker)是被强烈推荐的

The normal argument to supply as a blocker within a lock implementation is this.

    按文档中的意思：传入的blocker对象，相当于一个标志对象，线程阻塞时会记录下来。下面的例子能明显看出差别

    举例说明：（转自 https://www.jianshu.com/p/835...）

    private static void parkVsParkBlocker() {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        LockSupport.park();
    }, "t1");
    t1.start();

    Object blocker = new Object();
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        LockSupport.park(blocker);
    }, "t2");
    t2.start();

    LockSupport.getBlocker(t2);

    unpark(t1, 60);
    unpark(t2, 60);
}

    Print java stack trace of a given jvm process.
    jstack jps -l | grep LockSupport | awk '{print $1}'

    clipboard.png

    VarHandle

    FutureTask作为抽象出的工具类，考虑了多线程环境下的get()的情况，这部分在前文故意忽略了。
    而并发环境下的数据统一，主要靠volatile关键字+CAS来达成。（经典模式）

    // 状态，记录子线程执行情况
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;

// 记录子线程，运行Callable.call()的线程
private volatile Thread runner;
// 等待节点，链表
private volatile WaitNode waiters;

    volatile关键字，此处主要用于让其它线程可见（可见性）；那CAS（Compare And Sweep）是做什么的？

    本质上，它就是个乐观锁：

    1. 比较某内存地址下的某一变量的当前值和猜想值是否一致，如果一致，原子替换该变量为新值，return true
    2. 如果不一致，return false

    jdk 9之前，主要靠Unsafe实现CAS；自jdk 9开始，推出了VarHandle，旨在替代 AtomicXX 工具，以及方便开发人员使用Unsafe的部分权能。

    以状态 state 的变更为例，看下VarHandle是如何完成CAS的：

    private volatile int state;

/* 声明和赋值 */
private static final VarHandle STATE;
static{
    try {
        MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup();    //1 - 通过MethodHandles.lookup()声明MethodHandles.Lookup对象
        STATE = l.findVarHandle(FutureTask.class, "state", int.class);    //2 - 赋值VarHandle STATE，此时STATE和state就建立了某种联系
    } catch (ReflectiveOperationException e) {
        throw new ExceptionInInitializerError(e);
    }
}

/* 调用 */
protected void set(V v) {
    if (STATE.compareAndSet(this, NEW, COMPLETING)) {    // 3 - 当前对象，将state变量，由NEW改成COMPLETING
        outcome = v;
        STATE.setRelease(this, NORMAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}
    java多线程multi-thread
    青鱼
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    山就在那里，每走一步就近一些

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