谈谈 Callable 任务是怎么运行的？它的执行结果又是怎么获取的?

谈谈 callable 任务是怎么运行的？它的执行结果又是怎么获取的？

向线程池提交callable任务，会创建一个新线程(执行任务的线程)去执行这个callable任务，但是通过future#get获取任务的执行结果是在提交任务的调用者线程中，那问题一：调用者线程如何获取执行任务的线程的结果？

在jdk中，有2种类型的任务，runnable和callable，但是具体到线程池执行任务的java.util.concurrent.threadpoolexecutor#execute(runnable)方法，它只接收runnable任务，那问题二：callable任务是提交给线程池后是如何执行的呢？

callable 任务是怎么运行的?

import java.util.concurrent.*;

public class futuretest {
    public static void main(string[] args) {
        callable<integer> callable = new callable<integer>() {
            @override
            public integer call() throws exception {
                //sleep 是为了调试方便
                timeunit.seconds.sleep(4);
                return 3;
            }
        };
        //创建一个 threadpoolexecutor 对象
        executorservice executorservice = executors.newfixedthreadpool(1);
        
        future<integer> future = executorservice.submit(callable);

        try {
            integer i = future.get();
            system.out.println(i);
        } catch (exception e) {
            system.out.println(e);
        }
    }
}

future<integer> future = executorservice.submit(callable);

//java.util.concurrent.abstractexecutorservice#submit(java.util.concurrent.callable<t>)    
public <t> future<t> submit(callable<t> task) {
        if (task == null) throw new nullpointerexception();
        //futuretask其实是个runnablefuture, runnablefuture其实是个runnable
        //重点是: runnable#run方法的执行,其实就是 futuretask#run方法的执行!!!
        runnablefuture<t> ftask = newtaskfor(task);
        //java.util.concurrent.threadpoolexecutor#execute
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

runnablefuture<t> ftask = newtaskfor(task);

//java.util.concurrent.abstractexecutorservice#newtaskfor(java.util.concurrent.callable<t>)
protected <t> runnablefuture<t> newtaskfor(callable<t> callable) {
        return new futuretask<t>(callable);
    }

当submit一个callable任务时，会生成一个runnablefuture接口对象，默认情况下 runnablefuture对象是一个futuretask对象。看java.util.concurrent.abstractexecutorservice类的源码注释：我们也可以重写 newtaskfor 方法生成我们自己的 runnablefuture。一个具体的示例可参考es源码org.elasticsearch.common.util.concurrent.prioritizedesthreadpoolexecutor#newtaskfor(java.util.concurrent.callable<t>)，它就重写了 newtaskfor 方法，实现了执行优先级任务时，获取任务执行结果的逻辑。

the implementation of submit(runnable) creates an associated runnablefuture that is executed and returned. subclasses may override the newtaskfor methods to return runnablefuture implementations other than futuretask

然后再来看futuretask这个类的run()方法：java.util.concurrent.futuretask#run，它会触发执行我们定义的callable#call()方法。搞清楚java.util.concurrent.futuretask#run方法是怎么被调用的，就搞清楚了线程池执行callable任务的原理。该方法主要是做了2件事：

• 执行callable#call方法，即：futuretest.java中 我们定义的处理逻辑：返回一个integer 3
• 设置任务的执行结果：set(result)

java.util.concurrent.abstractexecutorservice#submit(java.lang.runnable) 中execute(ftask)提交任务（注意：futuretask implements runnable）

threadpoolexecutor是abstractexecutorservice具体实现类，因此最终会执行到：java.util.concurrent.threadpoolexecutor#execute提交任务。

//java.util.concurrent.threadpoolexecutor#execute， 重点看addworker()实现
if (workercountof(c) < corepoolsize) {
            if (addworker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }

java.util.concurrent.threadpoolexecutor#addworker 有2行代码很关键：

//java.util.concurrent.threadpoolexecutor#addworker
try {
            w = new worker(firsttask);//关键代码1, firsttask 本质上是 futuretask对象
            final thread t = w.thread;
            if (t != null) {
              //...省略非关键代码
                if (workeradded) {
                    t.start();//关键代码 2
                    workerstarted = true;
                }
            }
        }

w = new worker(firsttask)创建一个新线程！把worker作为this对象传进去，因为worker implements runnable，并且实现了java.lang.runnable#run方法。

        worker(runnable firsttask) {
            setstate(-1); // inhibit interrupts until runworker
            this.firsttask = firsttask;//
            this.thread = getthreadfactory().newthread(this);
        }

这意味着啥？执行java.lang.runnable#run 就会去真正地执行 java.util.concurrent.threadpoolexecutor.worker#run，那么java.lang.runnable#run是被谁调用的呢？

聪明的你一定知道了，new thread(runnable).start()执行时，会由jvm去自动调用java.lang.runnable#run

所以，上面java.util.concurrent.threadpoolexecutor#addworker 中的关键代码2 t.start();，触发了java.util.concurrent.threadpoolexecutor.worker#run的调用。

java.util.concurrent.threadpoolexecutor.worker#run里面只是调用了runwoker(this)而已。

//java.util.concurrent.threadpoolexecutor.worker#run
/** delegates main run loop to outer runworker. */
        public void run() {
            runworker(this);
        }

重点来了！再跟进去看看runwoker是何方神圣：

//java.util.concurrent.threadpoolexecutor#runworker
final void runworker(worker w) {
        thread wt = thread.currentthread();
        runnable task = w.firsttask;//task 实际上是futuretask类型的对象
        w.firsttask = null;
        try {
            while (task != null || (task = gettask()) != null) {
              //省略一些 非关键代码....
                try {
                    beforeexecute(wt, task);//
                    try {
                        //重点代码！触发 java.util.concurrent.futuretask#run 执行
                        task.run();
                        afterexecute(task, null);
                    } catch (throwable ex) {
                        //去看看afterexecute方法注释,无论线程执行过程中是否抛异常,afterexecute()都会 执行,看了源码,明白为什么是这样了,因为catch异常处理里面会执行afterexecute
                        afterexecute(task, ex);
                        throw ex;
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedtasks++;
                    w.unlock();
                }
            }

看懂了java.util.concurrent.threadpoolexecutor#runworker几乎就明白线程池执行任务时的beforeexecute、afterexecute方法的所起的作用了(比如经常在afterexecute方法里面做一些线程池任务运行时间的统计工作)。

总结以下点：

• callable任务被submit时，会生成一个futuretask对象，封装callable，在futuretask的run方法里面执行callable#call方法，并且调用java.util.concurrent.futuretask#set设置callable任务的执行结果(结果保存在一个futuretask的object类型的实例变量里面：private object outcome;)。

• future<integer> future = executorservice.submit(callable);返回一个future，它实际上是一个futuretask对象，通过java.util.concurrent.futuretask#get()获取callable任务的执行结果。

• java.util.concurrent.futuretask#run方法是由java.util.concurrent.threadpoolexecutor#runworker触发调用的；而java.util.concurrent.threadpoolexecutor#runworker又是由java.util.concurrent.threadpoolexecutor.worker#run触发调用的；而java.util.concurrent.threadpoolexecutor.worker#run又是由java.util.concurrent.threadpoolexecutor#addworker里面的t.start();这条语句触发调用的；而t.start();会触发runnable#run方法的执行。这就是前面提到的这个原理：new thread(runnable).start()会由jvm来调用runnable#run。具体可参考：

  用一个词表示就是多态。用一张图表示就是：

  ​

• 继承 threadpoolexecutor 实现自定义的线程池时，可重写 afterexecute()方法做一些异常处理逻辑的实现，不管任务正常执行完成、还是抛出异常，都会调用afterexecute()，具体可看jdk源码关于threadpoolexecutor#runworker方法的注释。有兴趣可研究下es search线程池源码就使用afterexecute来统计提交给线程池的每个任务的等待时间、执行时间，从而根据little's law 自动调整线程池任务队列的长度：org.elasticsearch.common.util.concurrent.queueresizingesthreadpoolexecutor#afterexecute

最后，想说的是：callable任务，到threadpoolexecutor线程池执行 层面，它实际上是一个runnable任务在执行。因为，executorservice submit callable时，其实是将callable封装到futuretask/runnablefuture中，而runnablefuture implements runnable，因此可以提交给线程池的java.util.concurrent.threadpoolexecutor#execute(runnable command)执行，这就回答了本文开头提出的第二个问题。

//java.util.concurrent.runnablefuture
public interface runnablefuture<v> extends runnable, future<v> {
    /**
     * sets this future to the result of its computation
     * unless it has been cancelled.
     */
    void run();
}

用一张图表示就是：

callable任务的设置与获取，则都是在futuretask这个层面上完成，把callable封装到futuretask中，而futuretask implements runnable，从而转化成threadpoolexecutor#execute执行runnable任务。

callable任务的执行结果又是怎么获取的?future.get为什么会阻塞？

java.util.concurrent.futuretask 的private volatile int state;变量：

//java.util.concurrent.futuretask#run
public void run() {
        if (state != new ||
            !runner.compareandset(this, null, thread.currentthread()))
            return;
        try {
            callable<v> c = callable;
            if (c != null && state == new) {
                v result;
                boolean ran;
                try {
                    //callable#call执行成功, ran=true
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    setexception(ex);
                }
                //ran=true,才会设置callable任务的执行结果
                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);
        }
    }

set方法设置callable任务的执行结果时，会修改 futuretask的 state 实例变量的值！

    //java.util.concurrent.futuretask#set   
    protected void set(v v) {
        if (state.compareandset(this, new, completing)) {
            outcome = v;
            state.setrelease(this, normal); // final state
            finishcompletion();
        }
    }

而java.util.concurrent.futuretask#get()方法，也正是通过检查 state 的值，来确定是否能够拿到callable任务的执行结果。

    //java.util.concurrent.futuretask#get()
    public v get() throws interruptedexception, executionexception {
        int s = state;
        if (s <= completing)
            //如果 state 不是在 normal 状态，futuretask#get()就会阻塞
            //这就是 java.util.concurrent.future#get() 阻塞的原因
            s = awaitdone(false, 0l);//这里面会调用：thread.yield()、locksupport.park(this)
        return report(s);
    }

java.util.concurrent.futuretask#awaitdone

//java.util.concurrent.futuretask#awaitdone
private int awaitdone(boolean timed, long nanos)
        throws interruptedexception {
        waitnode q = null;
        //省略一些无关代码...
        for (;;) {//for循环一直检查任务的运行状态....直到可以"结束"
            int s = state;
            //state的值大于 completing 说明已经有callable任务的结果了
            //java.util.concurrent.futuretask#set 设置了callable任务的结果,修改了state的值
            if (s > completing) {
                if (q != null)
                    q.thread = null;
                return s;
            }
            //completing 任务的运行状态是：正在执行中
            else if (s == completing)
                // we may have already promised (via isdone) that we are done
                // so never return empty-handed or throw interruptedexception
                thread.yield();//挂起获取执行结果的线程（这就是futur#get阻塞的原因）
            else if (thread.interrupted()) {
                removewaiter(q);//任务可能被中断了,当然就不需要等待获取执行结果了
                throw new interruptedexception();
            }
            else if (q == null) {
                if (timed && nanos <= 0l)
                    return s;
                q = new waitnode();
            }
            else if (!queued)
                queued = waiters.weakcompareandset(this, q.next = waiters, q);
            //java.util.concurrent.future#get(long, java.util.concurrent.timeunit)超时阻塞的实现原理
            else if (timed) {
                final long parknanos;
                if (starttime == 0l) { // first time
                    starttime = system.nanotime();
                    if (starttime == 0l)
                        starttime = 1l;
                    parknanos = nanos;
                } else {
                    long elapsed = system.nanotime() - starttime;
                    if (elapsed >= nanos) {
                        removewaiter(q);
                        return state;
                    }
                    parknanos = nanos - elapsed;
                }
                // nanotime may be slow; recheck before parking
                if (state < completing)
                    locksupport.parknanos(this, parknanos);
            }
            else
                locksupport.park(this);
        }
    }

总结一下：通过 state变量来判断callable任务的执行结果是否已经生成。如果已经生成了执行结果，那么 java.util.concurrent.futuretask#set会把结果放到private object outcome;outcome这个变量中。然后设置state的值为normal，那么java.util.concurrent.futuretask#get()通过检查 state 的值，就能拿到执行结果了，当然了，如果执行结果还未生成，java.util.concurrent.futuretask#awaitdone就会导致 get 阻塞。

最后的最后，留一个问题：由于jdk里面future#get都是阻塞的，那有没有什么方法使得获取 callable 任务的执行结果不阻塞？

看看netty的源码？借鉴一下listener回调机制。哈哈……

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