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Java并發程式設計：Callable、Future和FutureTask

一、Callable 與 Runnable

先說一下java.lang.Runnable吧，它是一個接口，在它裡面隻聲明了一個run()方法：

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

由于run()方法傳回值為void類型，是以在執行完任務之後無法傳回任何結果。

Callable位于java.util.concurrent包下，它也是一個接口，在它裡面也隻聲明了一個方法，隻不過這個方法叫做call()：

public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

可以看到，這是一個泛型接口，該接口聲明了一個名稱為call()的方法，同時這個方法可以有傳回值V，也可以抛出異常。call()方法傳回的類型就是傳遞進來的V類型。

那麼怎麼使用Callable呢？一般情況下是配合ExecutorService來使用的，在ExecutorService接口中聲明了若幹個submit方法的重載版本：

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

第一個方法：submit送出一個實作Callable接口的任務，并且傳回封裝了異步計算結果的Future。

第二個方法：submit送出一個實作Runnable接口的任務，并且指定了在調用Future的get方法時傳回的result對象。

第三個方法：submit送出一個實作Runnable接口的任務，并且傳回封裝了異步計算結果的Future。

是以我們隻要建立好我們的線程對象（實作Callable接口或者Runnable接口），然後通過上面3個方法送出給線程池去執行即可。

二、Future

    Future就是對于具體的Runnable或者Callable任務的執行結果進行取消、查詢是否完成、擷取結果。必要時可以通過get方法擷取執行結果，該方法會阻塞直到任務傳回結果。

    Future<V>接口是用來擷取異步計算結果的，說白了就是對具體的Runnable或者Callable對象任務執行的結果進行擷取(get())，取消(cancel())，判斷是否完成等操作。我們看看Future接口的源碼：

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;
}

在Future接口中聲明了5個方法，下面依次解釋每個方法的作用：

  • cancel方法用來取消任務，如果取消任務成功則傳回true，如果取消任務失敗則傳回false。參數mayInterruptIfRunning表示是否允許取消正在執行卻沒有執行完畢的任務，如果設定true，則表示可以取消正在執行過程中的任務。如果任務已經完成，則無論mayInterruptIfRunning為true還是false，此方法肯定傳回false，即如果取消已經完成的任務會傳回false；如果任務正在執行，若mayInterruptIfRunning設定為true，則傳回true，若mayInterruptIfRunning設定為false，則傳回false；如果任務還沒有執行，則無論mayInterruptIfRunning為true還是false，肯定傳回true。
  • isCancelled方法表示任務是否被取消成功，如果在任務正常完成前被取消成功，則傳回 true。
  • isDone方法表示任務是否已經完成，若任務完成，則傳回true；
  • get()方法用來擷取執行結果，這個方法會産生阻塞，會一直等到任務執行完畢才傳回；
  • get(long timeout, TimeUnit unit)用來擷取執行結果，如果在指定時間内，還沒擷取到結果，就直接傳回null。

也就是說Future提供了三種功能：

1）判斷任務是否完成；

2）能夠中斷任務；

3）能夠擷取任務執行結果。

因為Future隻是一個接口，是以是無法直接用來建立對象使用的，是以就有了下面的FutureTask。

三、FutureTask

我們先來看一下FutureTask的實作：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

FutureTask類實作了RunnableFuture接口，我們看一下RunnableFuture接口的實作：

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

可以看出RunnableFuture繼承了Runnable接口和Future接口，而FutureTask實作了RunnableFuture接口。是以它既可以作為Runnable被線程執行，又可以作為Future得到Callable的傳回值。

分析：

FutureTask除了實作了Future接口外還實作了Runnable接口，是以FutureTask也可以直接送出給Executor執行。 當然也可以調用線程直接執行（FutureTask.run()）。接下來我們根據FutureTask.run()的執行時機來分析其所處的3種狀态：

（1）未啟動，FutureTask.run()方法還沒有被執行之前，FutureTask處于未啟動狀态，當建立一個FutureTask，而且沒有執行FutureTask.run()方法前，這個FutureTask也處于未啟動狀态。

（2）已啟動，FutureTask.run()被執行的過程中，FutureTask處于已啟動狀态。

（3）已完成，FutureTask.run()方法執行完正常結束，或者被取消或者抛出異常而結束，FutureTask都處于完成狀态。

Java并發程式設計：Callable、Future和FutureTask

下面我們再來看看FutureTask的方法執行示意圖（方法和Future接口基本是一樣的，這裡就不過多描述了）

Java并發程式設計：Callable、Future和FutureTask

（1）當FutureTask處于未啟動或已啟動狀态時，如果此時我們執行FutureTask.get()方法将導緻調用線程阻塞；當FutureTask處于已完成狀态時，執行FutureTask.get()方法将導緻調用線程立即傳回結果或者抛出異常。

（2）當FutureTask處于未啟動狀态時，執行FutureTask.cancel()方法将導緻此任務永遠不會執行。當FutureTask處于已啟動狀态時，執行cancel(true)方法将以中斷執行此任務線程的方式來試圖停止任務，如果任務取消成功，cancel(...)傳回true；但如果執行cancel(false)方法将不會對正在執行的任務線程産生影響(讓線程正常執行到完成)，此時cancel(...)傳回false。當任務已經完成，執行cancel(...)方法将傳回false。

最後我們給出FutureTask的兩種構造函數：

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

事實上，FutureTask是Future接口的一個唯一實作類。

四、使用示例

     通過上面的介紹，我們對Callable，Future，FutureTask都有了比較清晰的了解了，那麼它們到底有什麼用呢？我們前面說過通過這樣的方式去建立線程的話，最大的好處就是能夠傳回結果，加入有這樣的場景，我們現在需要計算一個資料，而這個資料的計算比較耗時，而我們後面的程式也要用到這個資料結果，那麼這個時Callable豈不是最好的選擇？我們可以開設一個線程去執行計算，而主線程繼續做其他事，而後面需要使用到這個資料時，我們再使用Future擷取不就可以了嗎？下面我們就來編寫一個這樣的執行個體。

1、使用Callable+Future擷取執行結果

package com.demo.test;

import java.util.concurrent.Callable;

public class Task implements Callable<Integer>{
    
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子線程在進行計算");
        Thread.sleep(3000);
        int sum = 0;
        for(int i=0;i<100;i++)
            sum += i;
        return sum;
    }

}      
package com.demo.test;

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;

public class CallableTest {

    public static void main(String[] args) {
        //建立線程池
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        //建立Callable對象任務  
        Task task = new Task();
        //送出任務并擷取執行結果  
        Future<Integer> result = executor.submit(task);
        //關閉線程池  
        executor.shutdown();
         
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("主線程在執行任務");
         
        try {
            if(result.get()!=null){  
                System.out.println("task運作結果"+result.get());
            }else{
                System.out.println("未擷取到結果"); 
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("所有任務執行完畢");
    }
}

運作結果：

子線程在進行計算
主線程在執行任務
task運作結果4950
所有任務執行完畢

2、使用Callable+FutureTask擷取執行結果

package com.demo.test;

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class CallableTest1 {
    
    public static void main(String[] args) {
        //第一種方式
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Task task = new Task();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
        executor.submit(futureTask);
        executor.shutdown();
         
        //第二種方式，注意這種方式和第一種方式效果是類似的，隻不過一個使用的是ExecutorService，一個使用的是Thread
//        Task task = new Task();
//        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
//        Thread thread = new Thread(futureTask);
//        thread.start();
         
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("主線程在執行任務");
         
        try {
            if(futureTask.get()!=null){  
                System.out.println("task運作結果"+futureTask.get());
            }else{
                System.out.println("future.get()未擷取到結果"); 
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        System.out.println("所有任務執行完畢");
    }
}

運作結果同上。

補充：

實作Runnable接口和實作Callable接口的差別：

1、Runnable是自從java1.1就有了，而Callable是1.5之後才加上去的。

2、Callable規定的方法是call(),Runnable規定的方法是run()。

3、Callable的任務執行後可傳回值，而Runnable的任務是不能傳回值(是void)。

4、call方法可以抛出異常，run方法不可以。

5、運作Callable任務可以拿到一個Future對象，表示異步計算的結果。它提供了檢查計算是否完成的方法，以等待計算的完成，并檢索計算的結果。通過Future對象可以了解任務執行情況，可取消任務的執行，還可擷取執行結果。

6、加入線程池運作，Runnable使用ExecutorService的execute方法，Callable使用submit方法。

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