1. Callable、Future、RunnableFuture、FutureTask的继承关系

在多线程编程中，我们一般通过一个实现了Runnable接口的对象来创建一个线程，这个线程在内部会执行Runnable对象的run方法。如果说我们创建一个线程来完成某项工作，希望在完成以后该线程能够返回一个结果，但run方法的返回值是void类型，直接实现run方法并不可行，这时我们就要通过FutureTask类来间接实现。

FutureTask实现了RunnableFuture接口，而RunnableFuture接口实际上仅仅是Runnable接口和Future接口的合体。Future接口提供取消任务、检测任务是否执行完成、等待任务执行完成获得结果等方法。从图中可以看出，FutureTask类中的run方法已经实现好了（图中的代码仅仅是核心代码），这个run方法实际上就是调用了由构造函数传递进来的call方法，并将返回值存储在FutureTask的私有数据成员outcome中。这样一来我们将FutureTask传递给一个Thread时，表面上我们仍然执行的是run，但在run方法的内部实际上执行的是带有返回值的call方法，这样即使得java多线程的执行框架保持不变，又实现了线程完成后返回结果的功能。同时FutureTask又将结果存储在outcome中，我们可以通过调用FutureTask对象的get方法获取outcome（也就是call方法的返回结果）。

Future接口功能介绍
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);	功能：设置线程的中断标志位参数：mayInterruptIfRunning为ture，如果线程可以取消则设置线程的中断标志位返回值：若线程已经完成，返回false;否则返回true 注意：要实现取消线程执行的功能，call函数需要在循环条件中检查中断标志位，以跳出循环
boolean isCancelled();	判断线程是否取消
boolean isDone();	线程执行完成，返回true；如果cancel方法返回true，则该方法也返回true
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;	获取call方法的返回结果，如果call方法没有执行完成，则会阻塞当前线程，直到call方法执行完毕，才被唤醒
V get(long timeout, TimeUnit unit)	设置时限的get方法。

2. Future及FutureTask的使用

Future以及FutureTask是线程池实现的基础元素，但不是说Future及FutureTask只能在线程池中才能使用，下面的例子就说明了FutureTask独立使用的情况。在这个例子中，我们首先随机产生了2000个整数存于数组中，然后创建了两个线程，一个线程寻找前1000个数的最大值，另个一线程寻找后1000个数的最大值。主线程比较这两个线程的返回结果来确定这2000个数的最大值值。

package javaleanning;

import java.util.Random;

import java.util.concurrent.Callable;

import java.util.concurrent.ExecutionException;

import java.util.concurrent.FutureTask;

public class FutureDemo {

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException{

		int[] a = new int[2000];

		Random rd = new Random();

		for(int i = 0; i < 2000; i++){

			a[i] = rd.nextInt(20000);

		}

		class FindMax implements Callable<Integer>{

			private int begin,end,int a[];

			public FindMax(int a[],int begin, int end){

				this.a = a;

                                this.begin = begin;

				this.end = end;

			}

			@Override

			public Integer call() throws Exception {

				int maxInPart = a[begin];

				for(int i = begin; i <= end; i++){

					if(a[i] > maxInPart){

						maxInPart = a[i];

					}

				}

				return new Integer(maxInPart);

			}

		}

		FutureTask<Integer> findMaxInFirstPart =

                              new FutureTask<Integer>(new FindMax(a,0,999));

		FutureTask<Integer> findMaxInSecondPart =

                              new FutureTask<Integer>(new FindMax(a,1000,1999));

		new Thread(findMaxInFirstPart).start();

		new Thread(findMaxInSecondPart).start();

		int maxInFirst =  (int) findMaxInFirstPart.get();

		int maxInSecond = (int) findMaxInSecondPart.get();

		System.out.println("Max is " +

                            (maxInFirst > maxInSecond ? maxInFirst:maxInSecond));

		//验证结果是否正确

		int max = a[0];

		for(int i = 0; i < 2000; i++){

			if(a[i] > max){

				max = a[i];

			}

		}

		System.out.println(max);

	}

}

3. FutureTask的实现原理

构造函数

public FutureTask(Callable<V> callable) {

    if (callable == null)

        throw new NullPointerException();

    this.callable = callable;

    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable

}

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {

    this.callable = Executors.callable(runnable, result);

    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable

}

FutureTask有两个构造函数，通常来说我们使用第一个构造函数。这里要强调一下第二个构造函数，它有两个类型参数，分别是Runnable类型和泛型V，然后由这两个构造一个Callable对象。当线程运行结束以后会返回由构造函数传递进来的这个泛型result对象，也就是说返回的值并不是通过运行得到的，而是由构造函数获取的一个指定的对象。

重要数据成员

private volatile int state;

private Object outcome;

private volatile Thread runner;

private volatile WaitNode waiters;

state表明了线程运行call方法的状态，初始状态为0，完成后由run方法将其设置为1。通过get方法获取结果时就必须检查state的值，如果该值为0，表明需要等待该结果，get方法就会将当前线程阻塞。

outcome表示了call方法的返回结果

runner表示运行FutureTask方法的线程，其值会在run方法中进行初始化

waiters指向了因获取结果而等待的线程组成的队列

重要方法

public void run() {

    if (state != NEW ||

        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,

                                     null, Thread.currentThread()))

        return;

    try {

        Callable<V> c = callable;

        if (c != null && state == NEW) {

            V result;

            boolean ran;

            try {

                result = c.call();

                ran = true;

            } catch (Throwable ex) {

                result = null;

                ran = false;

                setException(ex);

            }

            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);

    }

}

从代码中可以看出run方法中调用了从构造函数传递来的call方法。

protected void set(V v) {

    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {

        outcome = v;

        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state

        finishCompletion();

    }

}

当call方法执行完毕后，run方法调用又调用了set方法，它主要实现两个功能，一个是将结果赋值给outcome，另一个是通过finishCompletion唤醒由调用此FutureTask对象的get方法而阻塞的线程

private void finishCompletion() {

    // assert state > COMPLETING;

    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {

        if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {

            for (;;) {

                Thread t = q.thread;

                if (t != null) {

                    q.thread = null;

                    LockSupport.unpark(t);

                }

                WaitNode next = q.next;

                if (next == null)

                    break;

                q.next = null; // unlink to help gc

                q = next;

            }

            break;

        }

    }

    done();

    callable = null;        // to reduce footprint

}

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {

    int s = state;

    if (s <= COMPLETING)

        s = awaitDone(false, 0L);

    return report(s);

}

在get方法中首先判断了state的值，如果call方法还未完成，就会通过awaitDone来阻塞自己。

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)

        throws InterruptedException {

        final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;

        WaitNode q = null;

        boolean queued = false;

        for (;;) {

            if (Thread.interrupted()) {

                removeWaiter(q);

                throw new InterruptedException();

            }

            int s = state;

            if (s > COMPLETING) {

                if (q != null)

                    q.thread = null;

                return s;

            }

            else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet

                Thread.yield();

            else if (q == null)

                q = new WaitNode();

            else if (!queued)

                queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,

                                                     q.next = waiters, q);

            else if (timed) {

                nanos = deadline - System.nanoTime();

                if (nanos <= 0L) {

                    removeWaiter(q);

                    return state;

                }

                LockSupport.parkNanos(this, nanos);

            }

            else

                LockSupport.park(this);

        }

    }

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {

    if (!(state == NEW &&

          UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,

              mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))

        return false;

    try {    // in case call to interrupt throws exception

        if (mayInterruptIfRunning) {

            try {

                Thread t = runner;

                if (t != null)

                    t.interrupt();

            } finally { // final state

                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);

            }

        }

    } finally {

        finishCompletion();

    }

    return true;

}

在cannel方法中，如果允许对线程中断，则设置该线程的中断标志位，并通过finishCompletion方法唤醒因等待结果而阻塞的线程。

参考文章

[1] http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3949310.html

[2] http://www.open-open.com/lib/view/open1384351141649.html

巴特西

Callable、Future、RunnableFuture、FutureTask的原理及应用

1. Callable、Future、RunnableFuture、FutureTask的继承关系

2. Future及FutureTask的使用

3. FutureTask的实现原理

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