我靠(call) ，我的未来(Future)在哪里？？？

本篇文章是读者投稿，来和你一起聊一聊 Future ～

我们大家都知道，在 Java 中创建线程主要有三种方式：

• 继承 Thread 类;
• 实现 Runnable 接口;
• 实现 Callable 接口。

而后两者的区别在于 Callable 接口中的 call() 方法可以异步地返回一个计算结果 Future，并且一般需要配合 ExecutorService 来执行。这一套操作在代码实现上似乎也并不难，可是对于call()方法具体怎么(被ExecutorService)执行的，以及 Future 这个结果是怎么获取的，却又不是很清楚了。

那么本篇文章，我们就一起来学习下 Callable 接口以及 Future 的使用，主要面向两个问题：

• 承载着具体任务的 call() 方法如何被执行的?
• 任务的执行结果如何得到?

你可能会说，这两个难道不是一个问题吗?任务执行了就会有返回结果，而返回结果也一定是任务执行了才返回的，难道还能返回一个其他任务的结果么??不要着急，耐心的看下去，你就会发现，这两个还真的就是一个问题。

本文将分为两个部分，第一部分分别介绍 任务、执行、以及结果这三个概念在 Java API 中的实体和各自的继承关系，第二部分通过一个简单的例子回顾他们的用法，再理解下这两个问题的答案。

Callable、Executor 与 Future

既然是一个任务被执行并返回结果，那么我们先来看看具体的任务，也就是 Callable 接口。

任务：Callable

非常简单，只包含一个有泛型「返回值」的 call() 方法，需要在最后返回定义类型的结果。如果任务没有需要返回的结果，那么将泛型 V 设为 void 并return null;就可以了。对比的是 Runnable，另一个明显的区别则是 Callable可以抛出异常。

public interface Callable { 
    V call() throws Exception; 
} 
 
 
public interface Runnable { 
    public abstract void run(); 
} 

执行：ExecutorService

说到线程就少不了线程池，而说到线程池肯定离不开 Executor 接口。下面这幅图是 Executor 的框架，我们常用的是其中的两个具体实现类 ThreadPoolExecutor 以及 ScheduledThreadPoolExecutor，在 Executors 类中通过静态方法获取。Executors 中包含了线程池以及线程工厂的构造，与 Executor 接口的关系类似于 Collection 接口和 Collections 类的关系。

 

那么我们自顶向下，从源码上了解一下 Executor 框架，学习学习任务是如何被执行的。首先是 Executor 接口，其中只定义了 execute() 方法。

public interface Executor { 
    void execute(Runnable command); 
} 

ExecutorService 接口继承了 Executor 接口，主要扩展了一系列的 submit() 方法以及对 executor 的终止和判断状态。以第一个 Future submit(Callable task);为例，其中 task 为用户定义的执行的异步任务，Future 表示了任务的执行结果，泛型 T 代表任务结果的类型。

public interface ExecutorService extends Executor { 
 
    void shutdown();                // 现有任务完成后停止线程池 
  
    List shutdownNow();   // 立即停止线程池 
 
    boolean isShutdown();           // 判断是否已停止 
 
    boolean isTerminated(); 
 
     Future submit(Callable task);        // 提交Callale任务 
 
     Future submit(Runnable task, T result); 
 
    Future submit(Runnable task); 
 
    // 针对Callable集合的invokeAll()等方法 
} 

抽象类AbstractExecutorService 是 ThreadPoolExecutor 的基类，在下面的代码中，它实现了ExecutorService 接口中的 submit() 方法。注释中是对应的 newTaskFor() 方法的代码，非常简单，就是将传入的Callable 或 Runnable 参数封装成一个 FutureTask 对象。

// 1.第一个重载方法，参数为Callable 
public  Future submit(Callable task) { 
  if (task == null) throw new NullPointerException(); 
  RunnableFuture ftask = newTaskFor(task); 
  // return new FutureTask(callable); 
  execute(ftask); 
  return ftask; 
} 
 
// 2.第二个重载方法，参数为Runnable 
public Future submit(Runnable task) { 
  if (task == null) throw new NullPointerException(); 
  RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, null); 
  // return new FutureTask(task, null); 
  execute(ftask); 
  return ftask; 
} 
 
// 3.第三个重载方法，参数为Runnable + 返回对象 
public  Future submit(Runnable task, T result) { 
  if (task == null) throw new NullPointerException(); 
  RunnableFuture ftask = newTaskFor(task, result); 
  // return new FutureTask(task, result); 
  execute(ftask); 
  return ftask; 
} 

那么也就是说，无论传入的是 Callable 还是 Runnable，submit() 方法其实就做了三件事

 

具体来说，submit() 中首先生成了一个 RunnableFuture 引用的 FutureTask 实例，然后调用 execute() 方法来执行它，那么我们可以推测 FutureTask 继承自 RunnableFuture，而 RunnableFuture 又实现了 Runnable，因为execute() 的参数应为 Runnable 类型。上面还涉及到了 FutureTask 的构造函数，也来看一下。

public FutureTask(Callable callable) { 
  this.callable = callable; 
  this.state = NEW; 
} 
 
public FutureTask(Runnable runnable, V result) { 
  this.callable = Executors.callable(runnable, result); // 通过适配器将runnable在call()中执行并返回result 
  this.state = NEW; 
} 

FutureTask 共有两个构造方法。第一个构造方法比较简单，对应上面的第一个 submit()，采用组合的方式封装Callable 并将状态设为NEW;而第二个构造方法对应上面的后两个 submit() 重载，不同之处是首先使用了Executors.callable来将 Runnable 和 result 组合成 Callable，这里采用了适配器RunnableAdapter implements Callable，巧妙地在 call() 中执行 Runnable 并返回结果。

static final class RunnableAdapter implements Callable { 
  final Runnable task; 
  final T result;                // 返回的结果；显然：需要在run()中赋值 
 
  RunnableAdapter(Runnable task, T result) { 
    this.task = task; 
    this.result = result; 
  } 
  public T call() { 
    task.run(); 
    return result; 
  } 
} 

在适配器设计模式中，通常包含目标接口 Target、适配器 Adapter 和被适配者 Adaptee 三类角色，其中目标接口代表客户端(当前业务系统)所需要的功能，通常为借口或抽象类;被适配者为现存的不能满足使用需求的类;适配器是一个转换器，也称 wrapper，用于给被适配者添加目标功能，使得客户端可以按照目标接口的格式正确访问。对于 RunnableAdapter 来说，Callable 是其目标接口，而 Runnable 则是被适配者。RunnableAdapter 通过覆盖 call() 方法使其可按照 Callable 的要求来使用，同时其构造方法中接收被适配者和目标对象，满足了 call() 方法有返回值的要求。

 

那么总结一下 submit() 方法执行的流程，就是：「Callable 被封装在 Runnable 的子类中传入 execute() 得以执行」。

结果：Future

要说 Future 就是异步任务的执行结果其实并不准确，因为它代表了一个任务的执行过程，有状态、可以被取消，而 get() 方法的返回值才是任务的结果。

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; 
} 

我们在上面中还提到了 RuunableFuture 和 FutureTask。从官方的注释来看，RuunableFuture 就是一个可以 run的 future，实现了 Runnable 和 Future 两个接口，在 run() 方法中执行完计算时应该将结果保存起来以便通过 get()获取。

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

FutureTask 直接实现了 RunnableFuture 接口，作为执行过程，共有下面这几种状态，其中 COMPLETING 为一个暂时状态，表示正在设置结果或异常，对应的，设置完成后状态变为 NORMAL 或 EXCEPTIONAL;CANCELLED、INTERRUPTED 表示任务被取消或中断。在上面的构造方法中，将 state 初始化为 NEW。

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; 

然后是 FutureTask 的主要内容，主要是 run() 和 get()。注意 outcome 的注释，无论是否发生异常返回的都是这个 outcome，因为在执行中如果执行成功就将结果设置给了它(set())，而发生异常时将异常赋给了他(setException())，而在获取结果时也都返回了 outcome(通过report())。

public class FutureTask implements RunnableFuture { 
     
    private Callable callable;         // target，待执行的任务 
     
     
    private Object outcome; // 非volatile，通过CAS保证线程安全 
     
     
    public void run() { 
        ...... 
        Callable c = callable; 
        if (c != null && state == NEW) { 
            V result; 
            boolean ran; 
            try { 
                result = c.call();            // 调用call()执行用户任务并获取结果 
                ran = true;                   // 执行完成，ran置为true 
            } catch (Throwable ex) {          // 调用call()出现异常，而run()方法继续执行 
                 result = null; 
                 ran = false; 
                 setException(ex);             
                 // setException(Throwable t): compareAndSwapInt(NEW, COMPLETING);  outcome = t;       
            } 
            if (ran) 
                set(result);                   
             // set(V v): compareAndSwapInt(NEW, COMPLETING);  outcome = v; 
        } 
    } 
     
     
    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException { 
        int s = state; 
        if (s <= COMPLETING) 
            s = awaitDone(false, 0L);         // 加入队列等待COMPLETING完成，可响应超时、中断 
        return report(s); 
    } 
 
    public V get(long timeout, TimeUnit unit) 
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException { 
        // 超时等待 
    } 
     
    private V report(int s) throws ExecutionException { 
        Object x = outcome; 
        if (s == NORMAL)                              // 将outcome作为执行结果返回 
            return (V)x; 
        if (s >= CANCELLED) 
            throw new CancellationException(); 
        throw new ExecutionException((Throwable)x);   // 将outcome作为捕获的返回 
    } 
} 

FutureTask 实现了 RunnableFuture 接口，所以有两方面的作用。

第一，作为 Runnable 传入 execute() 方法来执行，同时封装 Callable 对象并在 run() 中调用其 call() 方法;

第二，作为 Future 管理任务的执行状态，将 call() 的返回值保存在 outcome 中以通过 get() 获取。这似乎就能回答开头的两个问题，并且浑然天成，就好像是一个问题，除非发生异常的时候返回的不是任务的结果而是异常对象。

总结一下继承关系：

 

二、使用举例

文章的有点唬人，说到底还是讲 Callable 的用法。现在我们知道了 Future 代表了任务执行的过程和结果，作为 call() 方法的返回值来获取执行结果;而 FutureTask 是一个 Runnable 的 Future，既是任务执行的过程和结果，又是 call 方法最终执行的载体。下面通过一个例子看看他们在使用上的区别。

首先创建一个任务，即定义一个任务类实现 Callable 接口，在 call() 方法里添加我们的操作，这里用耗时三秒然后返回 100 模拟计算过程。

class MyTask implements Callable<Integer> { 
    @Override 
    public Integer call() throws Exception { 
        System.out.println("子线程开始计算..."); 
        for (int i=0;i<3;++i){ 
            Thread.sleep(1000); 
            System.out.println("子线程计算中，用时 "+(i+1)+" 秒"); 
        } 
        System.out.println("子线程计算完成，返回：100"); 
        return 100; 
    } 
} 

然后呢，创建一个线程池，并实例化一个 MyTask 备用。

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool(); 
MyTask task = new MyTask(); 

现在，分别使用 Future 和 FutureTask 来获取执行结果，看看他们有什么区别。

使用Future

Future 一般作为 submit() 的返回值使用，并在主线程中以阻塞的方式获取异步任务的执行结果。

System.out.println("主线程启动线程池"); 
Future<Integer> future = executor.submit(task); 
System.out.println("主线程得到返回结果："+future.get()); 
executor.shutdown(); 

看看输出结果：

主线程启动线程池 
子线程开始计算... 
子线程计算中，用时 1 秒 
子线程计算中，用时 2 秒 
子线程计算中，用时 3 秒 
子线程计算完成，返回：100 
主线程得到返回结果：100 

主线程启动线程池子线程开始计算...子线程计算中，用时 1 秒子线程计算中，用时 2 秒子线程计算中，用时 3 秒子线程计算完成，返回：100主线程得到返回结果：100

由于 get() 方法阻塞获取结果，所以输出顺序为子线程计算完成后主线程输出结果。

使用FutureTask

由于 FutureTask 集「任务与结果」于一身，所以我们可以使用 FutureTask 自身而非返回值来管理任务，这需要首先利用 Callable 对象来构造 FutureTask，并调用不同的submit()重载方法。

System.out.println("主线程启动线程池"); 
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(task); 
executor.submit(futureTask);                                 // 作为Ruunable传入submit()中 
System.out.println("主线程得到返回结果："+futureTask.get());    // 作为Future获取结果 
executor.shutdown(); 

这段程序的输出与上面中完全相同，其实两者在实际执行中的区别也不大，虽然前者调用了submit(Callable task)而后者调用了submit(Runnable task)，但最终都通过execute(futuretask)来把任务加入线程池中。

总结

上面大费周章其实只是尽可能细致地讲清楚了 Callable 中的任务是如何执行的，总结起来就是：

线程池中，submit() 方法实际上将 Callable 封装在 FutureTask 中，将其作为 Runnable 的子类传给 execute()真正执行;

FutureTask 在 run() 中调用 Callable 对象的 call() 方法并接收返回值或捕获异常保存在Object outcome中，同时管理执行过程中的状态state;

FutureTask 同时作为 Future 的子类，通过 get() 返回任务的执行结果，若未执行完成则通过等待队列进行阻塞等待完成;

FutureTask 作为一个 Runnable 的 Future，其中最重要的两个方法如下。

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