java并发：获取线程执行结果（Callable、Future、FutureTask）

初识Callable and Future

　　在编码时，我们可以通过继承Thread或是实现Runnable接口来创建线程，但是这两种方式都存在一个缺陷：在执行完任务之后无法获取执行结果。如果需要获取执行结果，就必须通过共享变量或者使用线程通信的方式来达到目的。Java5提供了Callable和Future，通过它们可以在任务执行完毕之后得到任务执行结果。

Callable and Future源码：

（1）Callable接口：

public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

（2）Future接口：

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;
}

源码解说：

　　Callable位于java.util.concurrent包下，它是一个接口，在它里面只声明了一个call()方法。从上面的源码可以看到，Callable是一个泛型接口，call()函数返回的类型就是传递进来的泛型实参类型。

　　Future类位于java.util.concurrent包下，Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果，其cancel()方法的参数mayInterruptIfRunning表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务，如果设置为true，则表示可以取消正在执行过程中的任务；get()方法用来获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

Callable and Future示例：

（1）下面的示例是一个Callable，它会采用最明显的方式查找数组的一个分段中的最大值。

import java.util.concurrent.Callable;

class FindMaxTask implements Callable<Integer> {

  private int[] data;
  private int start;
  private int end;
  
  FindMaxTask(int[] data, int start, int end) {
    this.data = data;
    this.start = start;
    this.end = end;
  }

  public Integer call() {
    int max = Integer.MIN_VALUE;
    for (int i = start; i < end; i++) {
      if (data[i] > max) max = data[i];
    }
    return max;
  }
}

（2）将Callable对象提交给一个Executor，它会为每个Callable对象创建一个线程，如下代码段所示：

import java.util.concurrent.*;

public class MultithreadedMaxFinder {

  public static int max(int[] data) throws InterruptedException, ExecutionException {
    
    if (data.length == 1) {
      return data[0];
    } else if (data.length == 0) {
      throw new IllegalArgumentException();
    }
    
    // split the job into 2 pieces
    FindMaxTask task1 = new FindMaxTask(data, 0, data.length/2);
    FindMaxTask task2 = new FindMaxTask(data, data.length/2, data.length);
    
    // spawn 2 threads
    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);

    Future<Integer> future1 = service.submit(task1);
    Future<Integer> future2 = service.submit(task2);
        
    return Math.max(future1.get(), future2.get());
  }
}

补充：

ExecutorService接口中声明了若干个不同形式的submit()方法，各个方法的返回类型为Future类型，如下：

<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);

初识FutureTask

　　因为Future只是一个接口，所以是无法直接用来创建对象来使用的，因此就有了下面的FutureTask，FutureTask目前是Future接口的一个唯一实现类。在Java并发程序中FutureTask表示一个可以取消的异步运算。它有启动和取消运算、查询运算是否完成和取回运算结果等方法。只有当运算完成的时候结果才能取回，如果运算尚未完成get方法将会阻塞。

FutureTask实现了RunnableFuture接口，其声明如下：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

RunnableFuture接口定义如下：

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

解说：

　　因RunnableFuture接口继承Runnable接口和Future接口，FutureTask实现了RunnableFuture接口，所以FutureTask既可以作为Runnable被线程执行（Thread接收Runnable类型的参数），又可以提交给Executor来执行以得到返回值（ExecutorService.submit(Runnable task)）。

FutureTask构造函数：

FutureTask的构造函数接收不同形式的参数，如下：

public FutureTask(Callable<V> callable) {
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
}

FutureTask示例

观察下述两个示例代码中FutureTask的使用方式

示例一：

FutureTask将被作为Runnable被线程执行

（1）任务线程ThreadC：

package demo.thread;
import java.util.concurrent.Callable;
//实现Callable接口，call()方法可以有返回结果
public class ThreadC implements Callable<String> {
      @Override
      public String call() throws Exception {
            try {//模拟任务，执行了500毫秒；
                Thread.sleep(500L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return "thread B";
      }
}

（2）主线程ThreadMain：

package demo.thread;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
public class ThreadMain {
      public static void main(String[] args) {
            ThreadC threadc = new ThreadC();          
            FutureTask<String> faeature = new FutureTask<String>(threadc);
new Thread(faeature).start();//注意启动方式，FutureTask将被作为Runnable被线程执行
            
　　　　　　　System.out.println("这是主线程；begin！");
            //注意细细体会这个，只有主线程get了，主线程才会继续往下执行
            try {
                System.out.println("得到的返回结果是："+faeature.get());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ExecutionException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("这是主线程；end！");
      }
}

示例二：

FutureTask被提交给Executor执行以得到返回值

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Task task = new Task();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
        executor.submit(futureTask);//FutureTask被提交给Executor执行以得到返回值
        executor.shutdown();
         
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("主线程在执行任务");
         
        try {
            System.out.println("task运行结果"+futureTask.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("所有任务执行完毕");
    }
}
class Task implements Callable<Integer>{
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        Thread.sleep(3*1000);
        int sum = 0;
        for(int i=0;i<100;i++)
            sum += i;
        return sum;
    }
}

FutureTask原理

前面提到了一条重要信息：ExecutorService接口中的submit()方法可以接收callable、Runnable类型的参数，方法的返回类型为Future类型。

ExecutorService的submit()方法的内部实现是根据参数构建了FutureTask对象，然后将FutureTask对象转为Future类型返回，这也对应了下面这一条信息：

　　FutureTask间接继承了Future接口，其构造函数可以接收callable、Runnable类型的参数。

仔细想一想，其实这个内部实现使用了适配器模式，使得不同接口的实现最终对外表现为一致

CompletionService

ExecutorCompletionService

ExecutorCompletionService实现了CompletionService，融合了线程池Executor和阻塞队列BlockingQueue的功能，将计算部分委托给一个Executor。

（1）构造函数：

public ExecutorCompletionService(Executor executor) {
        if (executor == null)
            throw new NullPointerException();
        this.executor = executor;
        this.aes = (executor instanceof AbstractExecutorService) ?
            (AbstractExecutorService) executor : null;
        this.completionQueue = new LinkedBlockingQueue<Future<V>>();
}

（2）任务提交：

public Future<V> submit(Callable<V> task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<V> f = newTaskFor(task);
        executor.execute(new QueueingFuture(f));
        return f;
}

从上述submit()方法可以看出，当提交某个任务时，该任务首先将被包装为一个QueueingFuture

（3）QueueingFuture源码：

private class QueueingFuture extends FutureTask<Void> {
    QueueingFuture(RunnableFuture<V> task) {
      super(task, null);
      this.task = task;
    }
    protected void done() { completionQueue.add(task); }
    private final Future<V> task;
}

参考资料：

（1）http://ifeve.com/futuretask-source/

（2）http://www.tuicool.com/articles/umyy6b