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Java多线程之异步Future机制的原理和实现

这篇文章主要为大家详细介绍了Java多线程之异步Future机制的原理和实现,感兴趣的小伙伴们可以参考一下

项目中经常有些任务需要异步(提交到线程池中)去执行,而主线程往往需要知道异步执行产生的结果,这时我们要怎么做呢?用runnable是无法实现的,我们需要用callable看下面的代码:

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

public class AddTask implements Callable {

 private int a,b;
 
 public AddTask(int a, int b) {
 this.a = a;
 this.b = b;
 }
 
 @Override
 public Integer call throws Exception {
 Integer result = a + b;
 return result;
 }
 
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
 ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor;
 //JDK目前为止返回的都是FutureTask的实例
 Future future = executor.submit(new AddTask(1, 2));
 Integer result = future.get;// 只有当future的状态是已完成时(future.isDOne= true),get方法才会返回
 }
} 

虽然可以实现获取异步执行结果的需求,但是我们发现这个Future其实很不好用,因为它没有提供通知的机制,也就是说我们不知道future什么时候完成(如果我们需要轮询isDone()来判断的话感觉就没有用这个的必要了)。看下java.util.concurrent.future.Future 的接口方法:

 public interface Future {
  boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
  boolean isCancelled;
  boolean isDone;
  V get throws InterruptedException, ExecutionException;
  V get(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
} 

由此可见JDK的Future机制其实并不好用,如果能给这个future加个监听器,让它在完成时通知监听器的话就比较好用了,就像下面这个IFuture:

 package future;

import java.util.concurrent.CancellationException;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * The result of an asynchronous operation.
 * 
 * @author lixiaohui
 * @param  执行结果的类型参数
 */
public interface IFuture extends Future { 
 boolean isSuccess; // 是否成功 
 V getNow; //立即返回结果(不管Future是否处于完成状态)
 Throwable cause; //若执行失败时的原因
    boolean isCancellable; //是否可以取消
 IFuture await throws InterruptedException; //等待future的完成
 boolean await(long timeoutMillis) throws InterruptedException; // 超时等待future的完成
 boolean await(long timeout, TimeUnit timeunit) throws InterruptedException;
    IFuture awaitUninterruptibly; //等待future的完成,不响应中断
    boolean awaitUninterruptibly(long timeoutMillis);//超时等待future的完成,不响应中断
 boolean awaitUninterruptibly(long timeout, TimeUnit timeunit);
 IFuture addListener(IFutureListener l); //当future完成时,会通知这些加进来的监听器
 IFuture removeListener(IFutureListener l);
 
} 

接下来就一起来实现这个IFuture,在这之前要说明下Object.wait,Object.notifyAll方法,因为整个Future实现的原���的核心就是这两个方法.看看JDK里面的解释:

 public class Object {
  /**
   * Causes the current thread to wait until another thread invokes the
   * {@link java.lang.Object#notify} method or the
   * {@link java.lang.Object#notifyAll} method for this object.
   * In other words, this method behaves exactly as if it simply
   * performs the call {@code wait(0)}.
   * 调用该方法后,当前线程会释放对象监视器锁,并让出CPU使用权。直到别的线程调用notify/notifyAll
   */
  public final void wait throws InterruptedException {
    wait(0);
  }

  /**
   * Wakes up all threads that are waiting on this object's monitor. A
   * thread waits on an object's monitor by calling one of the
   * {@code wait} methods.
   * 

* The awakened threads will not be able to proceed until the current * thread relinquishes the lock on this object. The awakened threads * will compete in the usual manner with any other threads that might * be actively competing to synchronize on this object; for example, * the awakened threads enjoy no reliable privilege or disadvantage in * being the next thread to lock this object. */ public final native void notifyAll; }

知道这个后,我们要自己实现Future也就有了思路,当线程调用了IFuture.await等一系列的方法时,如果Future还未完成,那么就调用future.wait 方法使线程进入WAITING状态。而当别的线程设置Future为完成状态(注意这里的完成状态包括正常结束和异常结束)时,就需要调用future.notifyAll方法来唤醒之前因为调用过wait方法而处于WAITING状态的那些线程。完整的实现如下(代码应该没有很难理解的地方,我是参考netty的Future机制的。有兴趣的可以去看看netty的源码):

 package future;

import java.util.Collection;
import java.util.concurrent.CancellationException;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;

/**
 * 
 * 正常结束时, 若执行的结果不为null, 则result为执行结果; 若执行结果为null, 则result = {@link AbstractFuture#SUCCESS_SIGNAL}
 * 异常结束时, result为 {@link CauseHolder} 的实例;若是被取消而导致的异常结束, 则result为 {@link CancellationException} 的实例, 否则为其它异常的实例
 * 以下情况会使异步操作由未完成状态转至已完成状态, 也就是在以下情况发生时调用notifyAll方法:
 * 
    *
  • 异步操作被取消时(cancel方法)
  • *
  • 异步操作正常结束时(setSuccess方法)
  • *
  • 异步操作异常结束时(setFailure方法)
  • *
*
* * @author lixiaohui * * @param * 异步执行结果的类型 */ public class AbstractFuture implements IFuture { protected volatile Object result; // 需要保证其可见性 /** * 监听器集 */ protected Collection> listeners = new CopyOnWriteArrayList>; /** * 当任务正常执行结果为null时, 即客户端调用{@link AbstractFuture#setSuccess(null)}时, * result引用该对象 */ private static final SuccessSignal SUCCESS_SIGNAL = new SuccessSignal; @Override public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) { if (isDone) { // 已完成了不能取消 return false; } synchronized (this) { if (isDone) { // double check return false; } result = new CauseHolder(new CancellationException); notifyAll; // isDOne= true, 通知等待在该对象的wait的线程 } notifyListeners; // 通知监听器该异步操作已完成 return true; } @Override public boolean isCancellable { return result == null; } @Override public boolean isCancelled { return result != null && result instanceof CauseHolder && ((CauseHolder) result).cause instanceof CancellationException; } @Override public boolean isDone { return result != null; } @Override public V get throws InterruptedException, ExecutionException { await; // 等待执行结果 Throwable cause = cause; if (cause == null) { // 没有发生异常,异步操作正常结束 return getNow; } if (cause instanceof CancellationException) { // 异步操作被取消了 throw (CancellationException) cause; } throw new ExecutionException(cause); // 其他异常 } @Override public V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException { if (await(timeout, unit)) {// 超时等待执行结果 Throwable cause = cause; if (cause == null) {// 没有发生异常,异步操作正常结束 return getNow; } if (cause instanceof CancellationException) {// 异步操作被取消了 throw (CancellationException) cause; } throw new ExecutionException(cause);// 其他异常 } // 时间到了异步操作还没有结束, 抛出超时异常 throw new TimeoutException; } @Override public boolean isSuccess { return result == null &#63; false : !(result instanceof CauseHolder); } @SuppressWarnings("unchecked") @Override public V getNow { return (V) (result == SUCCESS_SIGNAL &#63; null : result); } @Override public Throwable cause { if (result != null && result instanceof CauseHolder) { return ((CauseHolder) result).cause; } return null; } @Override public IFuture addListener(IFutureListener listener) { if (listener == null) { throw new NullPointerException("listener"); } if (isDone) { // 若已完成直接通知该监听器 notifyListener(listener); return this; } synchronized (this) { if (!isDone) { listeners.add(listener); return this; } } notifyListener(listener); return this; } @Override public IFuture removeListener(IFutureListener listener) { if (listener == null) { throw new NullPointerException("listener"); } if (!isDone) { listeners.remove(listener); } return this; } @Override public IFuture await throws InterruptedException { return await0(true); } private IFuture await0(boolean interruptable) throws InterruptedException { if (!isDone) { // 若已完成就直接返回了 // 若允许终端且被中断了则抛出中断异常 if (interruptable && Thread.interrupted) { throw new InterruptedException("thread " + Thread.currentThread.getName + " has been interrupted."); } boolean interrupted = false; synchronized (this) { while (!isDone) { try { wait; // 释放锁进入waiting状态,等待其它线程调用本对象的notify/notifyAll方法 } catch (InterruptedException e) { if (interruptable) { throw e; } else { interrupted = true; } } } } if (interrupted) { // 为什么这里要设中断标志位?因为从wait方法返回后, 中断标志是被clear了的, // 这里重新设置以便让其它代码知道这里被中断了。 Thread.currentThread.interrupt; } } return this; } @Override public boolean await(long timeoutMillis) throws InterruptedException { return await0(TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis), true); } @Override public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return await0(unit.toNanos(timeout), true); } private boolean await0(long timeoutNanos, boolean interruptable) throws InterruptedException { if (isDone) { return true; } if (timeoutNanos <= 0) { return isDone; } if (interruptable && Thread.interrupted) { throw new InterruptedException(toString); } long startTime = timeoutNanos <= 0 &#63; 0 : System.nanoTime; long waitTime = timeoutNanos; boolean interrupted = false; try { synchronized (this) { if (isDone) { return true; } if (waitTime <= 0) { return isDone; } for (;;) { try { wait(waitTime / 1000000, (int) (waitTime % 1000000)); } catch (InterruptedException e) { if (interruptable) { throw e; } else { interrupted = true; } } if (isDone) { return true; } else { waitTime = timeoutNanos - (System.nanoTime - startTime); if (waitTime <= 0) { return isDone; } } } } } finally { if (interrupted) { Thread.currentThread.interrupt; } } } @Override public IFuture awaitUninterruptibly { try { return await0(false); } catch (InterruptedException e) { // 这里若抛异常了就无法处理了 throw new java.lang.InternalError; } } @Override public boolean awaitUninterruptibly(long timeoutMillis) { try { return await0(TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis), false); } catch (InterruptedException e) { throw new java.lang.InternalError; } } @Override public boolean awaitUninterruptibly(long timeout, TimeUnit unit) { try { return await0(unit.toNanos(timeout), false); } catch (InterruptedException e) { throw new java.lang.InternalError; } } protected IFuture setFailure(Throwable cause) { if (setFailure0(cause)) { notifyListeners; return this; } throw new IllegalStateException("complete already: " + this); } private boolean setFailure0(Throwable cause) { if (isDone) { return false; } synchronized (this) { if (isDone) { return false; } result = new CauseHolder(cause); notifyAll; } return true; } protected IFuture setSuccess(Object result) { if (setSuccess0(result)) { // 设置成功后通知监听器 notifyListeners; return this; } throw new IllegalStateException("complete already: " + this); } private boolean setSuccess0(Object result) { if (isDone) { return false; } synchronized (this) { if (isDone) { return false; } if (result == null) { // 异步操作正常执行完毕的结果是null this.result = SUCCESS_SIGNAL; } else { this.result = result; } notifyAll; } return true; } private void notifyListeners { for (IFutureListener l : listeners) { notifyListener(l); } } private void notifyListener(IFutureListener l) { try { l.operationCompleted(this); } catch (Exception e) { e.printStackTrace; } } private static class SuccessSignal { } private static final class CauseHolder { final Throwable cause; CauseHolder(Throwable cause) { this.cause = cause; } } }

那么要怎么使用这个呢,有了上面的骨架实现,我们就可以定制各种各样的异步结果了。下面模拟一下一个延时的任务:

 package future.test;

import future.IFuture;
import future.IFutureListener;

/**
 * 延时加法
 * @author lixiaohui
 *
 */
public class DelayAdder {
 
 public static void main(String[] args) {
 new DelayAdder.add(3 * 1000, 1, 2).addListener(new IFutureListener {
  
  @Override
  public void operationCompleted(IFuture future) throws Exception {
  System.out.println(future.getNow);
  }
  
 });
 }
 /**
 * 延迟加
 * @param delay 延时时长 milliseconds
 * @param a 加数
 * @param b 加数
 * @return 异步结果
 */
 public DelayAdditionFuture add(long delay, int a, int b) {
 DelayAdditionFuture future = new DelayAdditionFuture; 
 new Thread(new DelayAdditionTask(delay, a, b, future)).start;
 return future;
 }
 
 private class DelayAdditionTask implements Runnable {

 private long delay;
 
 private int a, b;
 
 private DelayAdditionFuture future;
 
 public DelayAdditionTask(long delay, int a, int b, DelayAdditionFuture future) {
  super;
  this.delay = delay;
  this.a = a;
  this.b = b;
  this.future = future;
 }

 @Override
 public void run {
  try {
  Thread.sleep(delay);
  Integer i = a + b;
  // TODO 这里设置future为完成状态(正常执行完毕)
  future.setSuccess(i);
  } catch (InterruptedException e) {
  // TODO 这里设置future为完成状态(异常执行完毕)
  future.setFailure(e.getCause);
  }
 }
 
 }
} package future.test;

import future.AbstractFuture;
import future.IFuture;
//只是把两个方法对外暴露
public class DelayAdditionFuture extends AbstractFuture {
 
 @Override
 public IFuture setSuccess(Object result) {
 return super.setSuccess(result);
 }
 
 @Override
 public IFuture setFailure(Throwable cause) {
 return super.setFailure(cause);
 }
 
} 

可以看到客户端不用主动去询问future是否完成,而是future完成时自动回调operationcompleted方法,客户端只需在回调里实现逻辑即可。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持。


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