一.概念
A Future计算的结果。 提供方法来检查计算是否完成，等待其完成，并检索计算结果。 结果只能在计算完成后使用方法get进行检索，如有必要，阻塞，直到准备就绪。 取消由cancel方法执行。 提供其他方法来确定任务是否正常完成或被取消。 计算完成后，不能取消计算。 如果您想使用Future ，以便不可撤销，但不提供可用的结果，则可以声明Future<?>表格的类型，并返回null作为基础任务的结果。
public interface Future<V> { //尝试取消执行此任务。如果任务已经完成，已经被取消或由于某些其他原因而无法取消，则此尝试将失败。 //如果成功，并且在调用 cancel 时此任务尚未开始，则该任务永远无法运行。 //如果任务已经开始，则 mayInterruptIfRunning 参数确定是否应中断执行该任务的线程以尝试停止该任务。 //mayInterruptIfRunning == true， 表示中断执行中的线程，false 表示让线程正常完成 boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning); //如果此任务在正常完成之前被取消，则返回true。 boolean isCancelled(); //如果此任务完成，则返回true。完成可能是由于正常终止，异常或取消引起的，在所有这些情况下，此方法都将返回true。 boolean isDone(); //必要时等待计算完成，然后检索其结果 V get() throws InterruptedException, ExecutionException; //必要时最多等待给定时间以完成计算，然后检索其结果（如果有）。 V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException; }
Future是一个接口，提供了方法来检测当前的任务是否已经结束，还可以等待任务结束并且拿到一个结果，通过调用Future的get()方法可以当任务结束后返回一个结果值，如果工作没有结束，则会阻塞当前线程，直到任务执行完毕；可以通过调用cancel()方法来停止一个任务，如果任务已经停止，则cancel()方法会返回true；如果任务已经完成或者已经停止了或者这个任务无法停止，则cancel()会返回一个false。当一个任务被成功停止后，他无法再次执行。isDone()和isCancel()方法可以判断当前工作是否完成和是否取消。
类图结构：
- ScheduledFuture：这个接口表示一个延时的行为可以被取消。通常一个安排好的future是定时任务SchedualedExecutorService的结果；
- RunnableFuture： 这个接口同时继承Future接口和Runnable接口，在成功执行run()方法后，可以通过Future访问执行结果；
- ForkJoinTask：基于任务的抽象类，可以通过ForkJoinPool来执行。一个ForkJoinTask是类似于线程实体，但是相对于线程实体是轻量级的。大量的任务和子任务会被ForkJoinPool池中的真实线程挂起来，以某些使用限制为代价；
- CompletableFuture：一个Future类是显示的完成，而且能被用作一个完成等级，通过它的完成触发支持的依赖函数和行为。当两个或多个线程要执行完成或取消操作时，只有一个能够成功；
- RunnableScheduledFuture：执行延迟和周期性任务；在成功执行run()方法后，可以通过Future访问执行结果；
- FutureTask：可取消的异步计算
- 该类提供了一个Future的基本实现 ，具有启动和取消计算的方法，查询计算是否完整，并检索计算结果。结果只能在计算完成后才能检索; 如果计算尚未完成，则get方法将阻止。一旦计算完成，则无法重新启动或取消计算（除非使用runAndReset()调用计算 ）；
- A FutureTask可用于包装Callable或Runnable对象。 因为FutureTask实现Runnable ，一个FutureTask可以提交到一个Executor执行；
- RecursiveTask：递归结果ForkJoinTask；
- RecursiveAction：递归结果ForkJoinTask；
二.用法
一个场景，我们要学习做饭，那么我们需要准备厨具和食材，厨具通过电子商务网购，食材去菜市场挑选。那么可以使用多线程来并发进行，即我们可以先网购下单，在等待快递员送货过来的这段时间去菜市场买食材，节省时间，提高效率。
- 直接开启线程，使用类继承Thread重写方法实现网购，join阻塞直到厨具到达才开始做饭。
public class FutureTest { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { long startTime = System.currentTimeMillis(); OnlineShopping shopping = new OnlineShopping(); shopping.start(); Thread.sleep(2000);//等待送货执行完 System.out.println("第二步：食材到位"); shopping.join();//阻塞订单直到快递送到得到厨具 System.out.println("第三步：开始厨艺"); System.out.println("总共用时：" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms"); } static class OnlineShopping extends Thread { @Override public void run() { System.out.println("第一步：下单"); System.out.println("第一步：等待送货"); try { Thread.sleep(5000);//送货中 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("第一步：快递送到"); } } } //======结果====== 第一步：下单 第一步：等待送货 第二步：食材到位 第一步：快递送到 第三步：开始厨艺 总共用时：5003ms
- 使用Future模式来完成上述操作，通过Callable返回结果来获取厨具，可以通过FutureTask灵活地操作订单，由此可见，比继承Thread完成的订单，Future模式更具有灵活性，
public class FutureTest { public static void main(String[] args) throws Exception { long startTime = System.currentTimeMillis(); Callable<String> shopping = () ->{ System.out.println("第一步：下单"); System.out.println("第一步：等待送货"); Thread.sleep(5000);//快递员送货中 System.out.println("第一步：快递送到"); return "厨具到达"; }; FutureTask<String> task = new FutureTask<>(shopping); new Thread(task).start(); Thread.sleep(2000);//保证下单操作执行到“等待送货”中 System.out.println("第二步：食材到位"); if (!task.isDone()) { // 联系快递员，询问是否到货 System.out.println("第三步：厨具还没到，心情好就等着（心情不好就调用cancel方法取消订单）"); } String chuju = task.get();//得到厨具 System.out.println("第三步：开始厨艺"); System.out.println("总共用时：" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms"); } } //======结果====== 第一步：下单 第一步：等待送货 第二步：食材到位 第三步：厨具还没到，心情好就等着（心情不好就调用cancel方法取消订单） 第一步：快递送到 第三步：开始厨艺 总共用时：5048ms
三.分析
使用Future模式的三部曲：
- 创建Callable重写call方法，把网购逻辑封装到call中，返回定义结果“厨具”；
public interface Callable<V> { V call() throws Exception; }
- 创建FutureTask，把Callable实例放入FutureTask的构造方法中；
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>{ public FutureTask(Callable<V> callable) { if (callable == null) throw new NullPointerException(); this.callable = callable; this.state = NEW; // 确保callable的可见性 } public FutureTask(Runnable runnable, V result) { this.callable = Executors.callable(runnable, result); this.state = NEW; // 确保callable的可见性 } } public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> { void run(); }
FutureTask的run方法：Callable的call是被FutureTask的run方法调用的，不是异步运行的；
public void run() { // 1. 如果 state != NEW 说明 run 方法已经运行过，直接 return // 2. 如果 state == NEW && CAS 竞争 设置 runner 失败，说明已经有别的线程在运行，直接 return // NEW 的状态由构造方法初始化，runner 是运行该 Callable 的线程 if (state != NEW || !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread())) return; try { Callable<V> c = callable;// 这里的callable是从构造方法里面传人的 if (c != null && state == NEW) { V result; boolean ran;// 标识符 try { result = c.call();//获得结果 ran = true; } catch (Throwable ex) {//异常 result = null; ran = false; setException(ex); } if (ran)//成功没有异常，设置返回值 set(result); } } finally { // runner must be non-null until state is settled to // prevent concurrent calls to run() //在状态设置之前，runner必须是非空的，以防止对run()的并发调用 runner = null; // state must be re-read after nulling runner to prevent // leaked interrupts //为防止泄漏中断，必须在空runner之后将状态设置为重复读 int s = state; // 如果最终状态 >= INTERRUPTING，则处理中断 // cancel 方法会通过参数 mayInterruptIfRunning 来设置 state 的值 if (s >= INTERRUPTING) handlePossibleCancellationInterrupt(s); } }
状态属性state：
private volatile int state;//状态，volatile让状态可见性 private static final int NEW = 0;//构造方法创建时的状态 private static final int COMPLETING = 1;//这是一个中间态，完成时和出现异常时有使用到 private static final int NORMAL = 2;//完成运行时的最终状态 private static final int EXCEPTIONAL = 3;//异常时的最终状态 private static final int CANCELLED = 4;//已取消 private static final int INTERRUPTING = 5;//中断中 private static final int INTERRUPTED = 6;//已中断 可能的 state 转换： NEW -> COMPLETING -> NORMAL NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL NEW -> CANCELLED NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
set设置返回值：
private Object outcome;//通过get方法获得的返回值 //设置返回值，状态NEW -> COMPLETING -> NORMAL protected void set(V v) { // 这里为什么要用 CAS 因为可能会和 cancel 方法产生竞争。 // 如果竞争失败，说明取消竞争成功，在 cancel 方法承担唤醒的工作，所以直接跳过。 if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {//NEW -> COMPLETING // 竞争成功 outcome = v;//outcome为返回结果 UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // 最终状态为NORMAL，COMPLETING -> NORMAL finishCompletion(); } }
setException运行时异常：
//状态：NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL protected void setException(Throwable t) { // 这里为什么要用 CAS 因为可能会和 cancel 方法产生竞争。 // 如果竞争失败，说明取消竞争成功，在 cancel 方法承担唤醒的工作，所以直接跳过。 if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {//NEW -> COMPLETING // 竞争成功 outcome = t; // outcome 为一个 Throwable // 把最终状态改为 EXCEPTIONAL UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state，COMPLETING -> EXCEPTIONAL finishCompletion(); } }
finishCompletion：
//删除当前线程并唤醒所有等待线程，调用done()，并取消进行中的方法 private void finishCompletion() { // assert state > COMPLETING; //从 waiters 末尾开始遍历，for 自旋直到 CAS 成功。 for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) { // 使用 CAS 把 waiters 设置为 null，和 awaitDone 和 removeWatier 方法竞争 if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) { // 自旋唤醒所有线程 for (;;) { Thread t = q.thread; if (t != null) { q.thread = null; LockSupport.unpark(t);// 唤醒线程 } WaitNode next = q.next; if (next == null) break; q.next = null; // unlink to help gc q = next; } break; } } // 这个一个空方法，主要用于继承重写，这也是模板模式的体现 done(); callable = null; // to reduce footprint } protected void done() { } //===========例子============== //ExecutorCompletionService 的作用就是把线程池的执行结果放到一个已完成队列中，方便获取执行结果，其内部主要通过一个 FutureTask 的实现类 QueueingFuture 来实现这个功能： private class QueueingFuture extends FutureTask<Void> { QueueingFuture(RunnableFuture<V> task) { super(task, null); this.task = task; } protected void done() { completionQueue.add(task); }//done方法是FutureTask方法的重写。FutureTask在完成时会执行done方法，把task放入已完成队列completionQueue。 private final Future<V> task; }
get获得返回结果：
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException { int s = state;//得到状态 if (s <= COMPLETING)//状态未完成，把获取结果的线程放入等待链表，然后阻塞，直至被中断、完成或出现异常。 s = awaitDone(false, 0L); return report(s);//返回结果 } private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException { final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;//用于计时 WaitNode q = null; boolean queued = false; for (;;) {//自旋 //如果已经被中断，则removeWaiter，抛出中断异常 if (Thread.interrupted()) { removeWaiter(q); throw new InterruptedException(); } int s = state; if (s > COMPLETING) {//task已经结束 if (q != null) q.thread = null; return s; } //第二个线程进来，正在运行，发现前面有等待节点，则让出cpu else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet Thread.yield(); // 第一次遍历，初始化 WaitNode，第一个节点进来时进行，第一个线程状态是new else if (q == null) q = new WaitNode(); // 是否已入队，没有则把WaitNode接到末尾，第一个线程第二次遍历时运行下面代码 else if (!queued) // 和 finishCompletion 和 removeWaiter 竞争 // 1. finishCompletion竞争成功，说明state已经 > COMPLETING则下次循环就会退出 // 2. removeWaiter竞争成功，说明waiters变化了，下一次循环再次竞争 queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q.next = waiters, q); // 如果使用了计时，则判断是否超时，如果超时则移出WaitNode并立即返回无需等待结果，否则阻塞 nanos else if (timed) { nanos = deadline - System.nanoTime(); if (nanos <= 0L) { removeWaiter(q); return state; } LockSupport.parkNanos(this, nanos); } else //阻塞，直到被唤醒（正常完成 || 异常 || 中断） LockSupport.park(this); } } //根据awaitDone返回状态返回结果或抛出异常 private V report(int s) throws ExecutionException { Object x = outcome; if (s == NORMAL)//正常 return (V)x; if (s >= CANCELLED)//取消 throw new CancellationException(); // task 执行过程中出现异常 throw new ExecutionException((Throwable)x); }
removeWaiter：
/** * Tries to unlink a timed-out or interrupted wait node to avoid * accumulating garbage. Internal nodes are simply unspliced * without CAS since it is harmless if they are traversed anyway * by releasers. To avoid effects of unsplicing from already * removed nodes, the list is retraversed in case of an apparent * race. This is slow when there are a lot of nodes, but we don't * expect lists to be long enough to outweigh higher-overhead * schemes. *尝试取消链接超时或中断的等待节点以避免堆积垃圾。内部节点的拼接没有CAS， *因为这对释放者无论如何遍历都没有影响。 为了避免已删除节点节点未拼接的影响， *如果出现明显的竞争，则重新遍历列表。 当节点很多时会很慢，但是我们不 *期望列表足够长以抵消较高的开销计划。 */ private void removeWaiter(WaitNode node) { if (node != null) { node.thread = null; retry: for (;;) { // restart on removeWaiter race //遍历整个链表 for (WaitNode pred = null, q = waiters, s; q != null; q = s) { s = q.next; //把q当作前一个节点，遍历下一个节点 if (q.thread != null) pred = q; // q.thread == null && pred != null，表示当前节点不是第一个节点，是一个中间节点 // 这里没有使用 CAS，如果出现多个线程同时遍历，前一个节点变为null，则重新从头遍历 // 为什么没有使用 CAS 因为作者的想法是这个链表不会太长，所以我们使用时不应该使这个链表太长 // 操作：把下一个节点连接到前一个节点的后面 else if (pred != null) { pred.next = s;//把s连接到pred后面 if (pred.thread == null) // check for race continue retry; } // q.thread == null && pred == null，表示第一个节点的 thread == null， // 这里使用 CAS，因为可能多个线程在操作 // 操作：把下一个节点设置为末尾节点，如果竞争失败则重新从头遍历 else if (!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, s)) continue retry; } break; } } }
isDone：
public boolean isDone() { return state != NEW; }
-
创建Thread，把FutureTask实例放入构造方法中，start开启线程
参考：https://www.jianshu.com/p/414cc2f0002c