JAVA并发编程系列(13)Future、FutureTask异步小王子

美团本地生活面试：模拟外卖订单处理，客户支付提交订单后，查询订单详情，后台需要查询店铺备餐进度、以及外卖员目前位置信息后再返回。

时间好快，一转眼不到一个月时间，已经完成分享synchronized、volatile、CAS、AQS、ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier、并发锁、Condition、线程池、ThreadLocal等多个核心基础原理和案例剖析。

其实我编写文章速度真的很慢，基本每篇文章需要写2~3个小时去梳理。确保基础理论、源码分析、面试案例、优缺点等均分享到位，力求每篇都是干货实用，让每位看到我文章的同学，不管是面试、还是应用到工作实践，都能有所收益。

今天我们围绕Future是什么、怎么用，实践demo来展开分享，实现原理架构来展开。

一、Future是什么

首先我们回到一个问题，就是为什么需要Future、FutureTask？

之前我们用过的线程池ThreadPoolExecutor、线程Thread都可以执行异步任务，但是无法执行带有返回值的异步任务。而Future是可以执行这种带有返回值的异步任务。线程池ThreadPoolExecutor、Thread线程可以通过提交执行Future类型的任务，就可以获取任务返回值。

和Callable、Runnable一样，Future是一个接口。我们看一下它的接口源码。

//Runnable接口，只有一个run方法
@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

//Callable接口，只有一个call方法
@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

//本文主角Future有5个方法
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;
}

代码非常少，有5个方法，但是核心方法是get(),还是isDone();

get()方法：用来读取任务的返回结果。此外，如果任务未执行，调用该方法的当前线程会进入阻塞等待。

isDone()方法：检查计算是否已完成。这个方法不会阻塞线程。日常使用Future，一般是先调用isDone()方法判断结果是否返回，然后再调用get()方法获取执行结果。

一句话总结：Future是异步计算任务，提交Future任务后可以继续干别的；等干完别的事，再回来通过get()方法去读取Future任务结果。

再简单总结：Future是支持在未来读取结果的异步计算任务。

cancel()方法:用来尝试取消任务，仅仅是尝试，不一定成功。如果任务已经开始执行，那么它就不能被取消。

isCancelled()方法:就是用来检查这个Future任务是否被取消。

Future和之前分享的信号量Semaphore、CountDownLatch倒数门闩、CyclicBarrier循环屏障都不一样，唯一和Condition条件队列有点像，支持多个线程协调进行。支持异步读取任务结果这个特性，Future可以很方便支持多个任务并发执行，以及在最后汇总获取并发结果，最后返回给终端。

二、应用实践：模拟同时查外卖信息

我们用FutureTask实现一个并发面试题：模拟外卖订单处理，客户支付提交订单后，查询订单详情，后台需要查询店铺备餐进度、以及外卖员目前位置信息后再返回。

package lading.java.mutithread;

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

/**
 * 模拟外卖订单处理，客户支付提交订单后，查询订单详情，后台
 * 通过查询店铺备餐进度、以及外卖员目前位置信息。
 */
public class Demo015Future {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //1、异步查询商家系统任务
        FutureTask<Boolean> checkFoodIsReadyTask = new FutureTask<>(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"转发请求到商家系统，查询餐厅当前订单备餐进度...");
            Thread.sleep(2000);
            boolean foodIsOk = true;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"商家接口返回是否备餐完成，结果是：" + foodIsOk);
            return foodIsOk;
        });
        //2、异步查询外卖员系统任务
        FutureTask<Boolean> checkCourierIsReadyTask = new FutureTask<>(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"转发请求到外卖员系统，查询外卖员是否已到店...");
            Thread.sleep(800);
            boolean courierIsOk = true;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"查询外卖员是否已到店，结果是：" + courierIsOk);
            return courierIsOk;
        });
        //并发查询商家、外卖员情况，大约2s
        new Thread(checkFoodIsReadyTask).start();
        new Thread(checkCourierIsReadyTask).start();
        Thread.sleep(100);
        //只是判断是否完成，不会阻塞
        if (!checkFoodIsReadyTask.isDone()) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "查询店铺备餐进度未完成，继续等等...");
        }
        if (!checkCourierIsReadyTask.isDone()) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "查询外卖员情况未完成，继续等等...");
        }
        //如果结果没返回会阻塞等待
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程 成功查到商家备餐结果：" + checkFoodIsReadyTask.get());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程 成功查到外卖员结果：" + checkCourierIsReadyTask.get());
    }
}

运行结果：

三、硬核干活：FutureTask的实现原理源码分析

我们从它的属性开始，然后讲实现的方法原理。

3.1 FutureTask的属性

FutureTask 的源码也不多，属性就这5个。

线程状态state、执行任务的callable,任务执行的返回结果outCome,正在运行的线程runner，等待队列里的waiters节点。

3.1.1 当前任务线程状态state，以及状态枚举

这七种任务状态之间相互转换关系：

1、正常结束

NEW -> COMPLETING -> NORMAL

2、异常结束

NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL

3、任务被取消

NEW -> CANCELLED

4、任务出现中断

NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED

//当前任务线程的状态，以下几个枚举值都是state不同状态
private volatile int state;
 
//当前任务线程刚创建状态
private static final int NEW          = 0;
//当前任务线程即将完成，ing是一个即将完成状态
private static final int COMPLETING   = 1;
//表示当前任务线程正常结束的状态
private static final int NORMAL       = 2;
//表示当前任务线程有异常
private static final int EXCEPTIONAL  = 3;
//表示当前任务线程被取消
private static final int CANCELLED    = 4;
//表示当前线程已经被打了中断标识
private static final int INTERRUPTING = 5;
//表示当前线程已经被中断
private static final int INTERRUPTED  = 6;

3.2 其他属性意义

//Callable 来执行任务，Callable 有返回值的线程
private Callable<V> callable;
 
//Callable任务执行的返回结果
private Object outcome; 
 
//当前正在运行的线程
private volatile Thread runner;
 
//等待队列节点，WaitNode是FutureTask的内部类
private volatile WaitNode waiters;

waiters等待队列:这个是单向队列，里面是等待本任务执行结果的线程。比如ABCD四个线程，其中A线程执行了任务，B、C、D线程，都等A线程的返回结果，就需要在waiters等待队列里等着。

//等待队列源码
    static final class WaitNode {
        //被阻塞的线程，也就
        volatile Thread thread;
        //这里看出它就是个单向队列
        volatile WaitNode next;
        WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
    }

3.3 run()方法原理

run方法比较简单，不放源码，直接说，就是执行定义的callable任务，任务执行完成后，通过CAS去更新outCome返回值。

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

3.4 get()方法原理

这个方法和run()一样重要，其他线程想要获取本任务结果，都是通过get方法读取。逻辑也是很简单。其中waitDone()方法，就是进入等待等列等结果。

    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        //1、如果任务没执行完成，当前想读取任务结果的线程就进入阻塞等待
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L);
        //2、如果任务执行完成，就返回结果    
        return report(s);
    }

3.5 其他方法

    //当前任务状态是否被取消，直接读状态值
    public boolean isCancelled() {
        return state >= CANCELLED;
    }
    //当前任务状态是否以及执行结束，直接读状态值
    public boolean isDone() {
        return state != NEW;
    }

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