談談 Callable 任務是怎麼運行的？它的執行結果又是怎麼獲取的？ 向線程池提交Callable任務，會創建一個新線程(執行任務的線程)去執行這個Callable任務，但是通過Future get獲取任務的執行結果是在提交任務的調用者線程中，那問題一：調用者線程如何獲取執行任務的線程的結果？ 在 ...
談談 Callable 任務是怎麼運行的？它的執行結果又是怎麼獲取的？
向線程池提交Callable任務，會創建一個新線程(執行任務的線程)去執行這個Callable任務，但是通過Future#get獲取任務的執行結果是在提交任務的調用者線程中，那問題一：調用者線程如何獲取執行任務的線程的結果？
在JDK中，有2種類型的任務，Runnable和Callable，但是具體到線程池執行任務的java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#execute(Runnable)方法，它只接收Runnable任務，那問題二：Callable任務是提交給線程池後是如何執行的呢？
Callable 任務是怎麼運行的?
import java.util.concurrent.*;
public class FutureTest {
public static void main(String[] args) {
Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
@Override
public Integer call() throws Exception {
//sleep 是為了調試方便
TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
return 3;
}
};
//創建一個 ThreadPoolExecutor 對象
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
Future<Integer> future = executorService.submit(callable);
try {
Integer i = future.get();
System.out.println(i);
} catch (Exception e) {
System.out.println(e);
}
}
}Future<Integer> future = executorService.submit(callable);
//java.util.concurrent.AbstractExecutorService#submit(java.util.concurrent.Callable<T>)
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
//FutureTask其實是個RunnableFuture, RunnableFuture其實是個Runnable
//重點是: Runnable#run方法的執行,其實就是 FutureTask#run方法的執行!!!
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
//java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#execute
execute(ftask);
return ftask;
}RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
//java.util.concurrent.AbstractExecutorService#newTaskFor(java.util.concurrent.Callable<T>)
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
return new FutureTask<T>(callable);
}當submit一個Callable任務時，會生成一個RunnableFuture介面對象，預設情況下 RunnableFuture對象是一個FutureTask對象。看java.util.concurrent.AbstractExecutorService類的源碼註釋：我們也可以重寫 newTaskFor 方法生成我們自己的 RunnableFuture。一個具體的示例可參考ES源碼org.elasticsearch.common.util.concurrent.PrioritizedEsThreadPoolExecutor#newTaskFor(java.util.concurrent.Callable<T>)，它就重寫了 newTaskFor 方法，實現了執行優先順序任務時，獲取任務執行結果的邏輯。
the implementation of submit(Runnable) creates an associated RunnableFuture that is executed and returned. Subclasses may override the newTaskFor methods to return RunnableFuture implementations other than FutureTask
然後再來看FutureTask這個類的run()方法：java.util.concurrent.FutureTask#run，它會觸發執行我們定義的Callable#call()方法。搞清楚java.util.concurrent.FutureTask#run方法是怎麼被調用的，就搞清楚了線程池執行Callable任務的原理。該方法主要是做了2件事：
- 執行Callable#call方法，即：FutureTest.java中 我們定義的處理邏輯：返回一個Integer 3
- 設置任務的執行結果：
set(result)
java.util.concurrent.AbstractExecutorService#submit(java.lang.Runnable) 中execute(ftask)提交任務（註意：FutureTask implements Runnable）
ThreadPoolExecutor是AbstractExecutorService具體實現類，因此最終會執行到：java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#execute提交任務。
//java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#execute， 重點看addWorker()實現
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#addWorker 有2行代碼很關鍵：
//java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#addWorker
try {
w = new Worker(firstTask);//關鍵代碼1, firstTask 本質上是 FutureTask對象
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
//...省略非關鍵代碼
if (workerAdded) {
t.start();//關鍵代碼 2
workerStarted = true;
}
}
}w = new Worker(firstTask)創建一個新線程！把Worker作為this對象傳進去，因為Worker implements Runnable，並且實現了java.lang.Runnable#run方法。
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;//
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}這意味著啥？執行java.lang.Runnable#run 就會去真正地執行 java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.Worker#run，那麼java.lang.Runnable#run是被誰調用的呢？
聰明的你一定知道了，new Thread(Runnable).start()執行時，會由jvm去自動調用java.lang.Runnable#run
所以，上面java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#addWorker 中的關鍵代碼2 t.start();，觸發了java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.Worker#run的調用。
java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.Worker#run裡面只是調用了runWoker(this)而已。
//java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.Worker#run
/** Delegates main run loop to outer runWorker. */
public void run() {
runWorker(this);
}重點來了！再跟進去看看runWoker是何方神聖：
//java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#runWorker
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;//task 實際上是FutureTask類型的對象
w.firstTask = null;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
//省略一些 非關鍵代碼....
try {
beforeExecute(wt, task);//
try {
//重點代碼！觸發 java.util.concurrent.FutureTask#run 執行
task.run();
afterExecute(task, null);
} catch (Throwable ex) {
//去看看afterExecute方法註釋,無論線程執行過程中是否拋異常,afterExecute()都會 執行,看了源碼,明白為什麼是這樣了,因為catch異常處理裡面會執行afterExecute
afterExecute(task, ex);
throw ex;
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}看懂了java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#runWorker幾乎就明白線程池執行任務時的beforeExecute、afterExecute方法的所起的作用了(比如經常在afterExecute方法裡面做一些線程池任務運行時間的統計工作)。
總結以下點：
Callable任務被submit時，會生成一個FutureTask對象，封裝Callable，在FutureTask的run方法裡面執行Callable#call方法，並且調用
java.util.concurrent.FutureTask#set設置Callable任務的執行結果(結果保存在一個FutureTask的Object類型的實例變數裡面：private Object outcome;)。Future<Integer> future = executorService.submit(callable);返回一個Future，它實際上是一個FutureTask對象，通過java.util.concurrent.FutureTask#get()獲取Callable任務的執行結果。java.util.concurrent.FutureTask#run方法是由java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#runWorker觸發調用的；而java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#runWorker又是由java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.Worker#run觸發調用的；而java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.Worker#run又是由java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#addWorker裡面的t.start();這條語句觸發調用的；而t.start();會觸發Runnable#run方法的執行。這就是前面提到的這個原理：new Thread(Runnable).start()會由jvm來調用Runnable#run。具體可參考：用一個詞表示就是多態。用一張圖表示就是：
繼承 ThreadPoolExecutor 實現自定義的線程池時，可重寫 afterExecute()方法做一些異常處理邏輯的實現，不管任務正常執行完成、還是拋出異常，都會調用afterExecute()，具體可看JDK源碼關於ThreadPoolExecutor#runWorker方法的註釋。有興趣可研究下ES SEARCH線程池源碼就使用afterExecute來統計提交給線程池的每個任務的等待時間、執行時間，從而根據Little's law 自動調整線程池任務隊列的長度：
org.elasticsearch.common.util.concurrent.QueueResizingEsThreadPoolExecutor#afterExecute
最後，想說的是：Callable任務，到ThreadPoolExecutor線程池執行 層面，它實際上是一個Runnable任務在執行。因為，ExecutorService submit Callable時，其實是將Callable封裝到FutureTask/RunnableFuture中，而RunnableFuture implements Runnable，因此可以提交給線程池的java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#execute(Runnable command)執行，這就回答了本文開頭提出的第二個問題。
//java.util.concurrent.RunnableFuture
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
/**
* Sets this Future to the result of its computation
* unless it has been cancelled.
*/
void run();
}
用一張圖表示就是：
Callable任務的設置與獲取，則都是在FutureTask這個層面上完成，把Callable封裝到FutureTask中，而FutureTask implements Runnable，從而轉化成ThreadPoolExecutor#execute執行Runnable任務。
Callable任務的執行結果又是怎麼獲取的?Future.get為什麼會阻塞？
java.util.concurrent.FutureTask 的private volatile int state;變數：
//java.util.concurrent.FutureTask#run
public void run() {
if (state != NEW ||
!RUNNER.compareAndSet(this, null, Thread.currentThread()))
return;
try {
Callable<V> c = callable;
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
//Callable#call執行成功, ran=true
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
setException(ex);
}
//ran=true,才會設置Callable任務的執行結果
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);
}
}set方法設置Callable任務的執行結果時，會修改 FutureTask的 state 實例變數的值！
//java.util.concurrent.FutureTask#set
protected void set(V v) {
if (STATE.compareAndSet(this, NEW, COMPLETING)) {
outcome = v;
STATE.setRelease(this, NORMAL); // final state
finishCompletion();
}
}而java.util.concurrent.FutureTask#get()方法，也正是通過檢查 state 的值，來確定是否能夠拿到Callable任務的執行結果。
//java.util.concurrent.FutureTask#get()
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
//如果 state 不是在 NORMAL 狀態，FutureTask#get()就會阻塞
//這就是 java.util.concurrent.Future#get() 阻塞的原因
s = awaitDone(false, 0L);//這裡面會調用：Thread.yield()、LockSupport.park(this)
return report(s);
}java.util.concurrent.FutureTask#awaitDone
//java.util.concurrent.FutureTask#awaitDone
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException {
WaitNode q = null;
//省略一些無關代碼...
for (;;) {//for迴圈一直檢查任務的運行狀態....直到可以"結束"
int s = state;
//state的值大於 COMPLETING 說明已經有Callable任務的結果了
//java.util.concurrent.FutureTask#set 設置了Callable任務的結果,修改了state的值
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
//COMPLETING 任務的運行狀態是：正在執行中
else if (s == COMPLETING)
// We may have already promised (via isDone) that we are done
// so never return empty-handed or throw InterruptedException
Thread.yield();//掛起獲取執行結果的線程（這就是Futur#get阻塞的原因）
else if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);//任務可能被中斷了,當然就不需要等待獲取執行結果了
throw new InterruptedException();
}
else if (q == null) {
if (timed && nanos <= 0L)
return s;
q = new WaitNode();
}
else if (!queued)
queued = WAITERS.weakCompareAndSet(this, q.next = waiters, q);
//java.util.concurrent.Future#get(long, java.util.concurrent.TimeUnit)超時阻塞的實現原理
else if (timed) {
final long parkNanos;
if (startTime == 0L) { // first time
startTime = System.nanoTime();
if (startTime == 0L)
startTime = 1L;
parkNanos = nanos;
} else {
long elapsed = System.nanoTime() - startTime;
if (elapsed >= nanos) {
removeWaiter(q);
return state;
}
parkNanos = nanos - elapsed;
}
// nanoTime may be slow; recheck before parking
if (state < COMPLETING)
LockSupport.parkNanos(this, parkNanos);
}
else
LockSupport.park(this);
}
}總結一下：通過 state變數來判斷Callable任務的執行結果是否已經生成。如果已經生成了執行結果，那麼 java.util.concurrent.FutureTask#set會把結果放到private Object outcome;outcome這個變數中。然後設置state的值為NORMAL，那麼java.util.concurrent.FutureTask#get()通過檢查 state 的值，就能拿到執行結果了，當然了，如果執行結果還未生成，java.util.concurrent.FutureTask#awaitDone就會導致 get 阻塞。
最後的最後，留一個問題：由於JDK裡面Future#get都是阻塞的，那有沒有什麼方法使得獲取 Callable 任務的執行結果不阻塞？
看看Netty的源碼？借鑒一下Listener回調機制。哈哈……
