基於介面回撥詳解JUC中Callable和FutureTask實現原理

JVM · 發表 2018-11-10 11:25:00

摘要： Callable介面和FutureTask實現類，是JUC(Java Util Concurrent)包中很重要的兩個技術實現，它們使獲取多執行緒執行結果成為可能。它們底層的實現，就是基於介面回撥技術。介面回撥，許多程式員都耳熟能詳，這種技術被廣泛應用於非同步模組的開發中。它的實現原理並不複雜...

Callable介面和FutureTask實現類，是JUC(Java Util Concurrent)包中很重要的兩個技術實現，它們使獲取多執行緒執行結果成為可能。它們底層的實現，就是基於介面回撥技術。介面回撥，許多程式員都耳熟能詳，這種技術被廣泛應用於非同步模組的開發中。它的實現原理並不複雜，但是對初學者來說卻並不友好，其中的一個原因是它的使用場景和處理手段，對習慣了單執行緒開發的初學者來說有點繞。而各種文章或書籍，在解釋這一個問題的時候，往往忽視了使用場景，而舉一些小明坐車、A和B等等的例子，初學者看完之後往往更迷糊。

本文立足於此，就從多執行緒中執行緒結果獲取這一需求場景出發，逐步說明介面回撥及其在JUC中的應用。

需要了解Java多執行緒的底層執行機制，可以看這一篇： ofollow,noindex" target="_blank">基於JVM原理、JMM模型和CPU快取模型深入理解Java併發程式設計

執行緒結果獲取

習慣了單執行緒開發的程式設計師，在非同步程式設計中最難理解的一點，就是如何從執行緒執行結果返回資訊，因為run和start方法本身是沒有返回值的。一個基本的方法是，使用一個變數暫存執行結果，另外提供一個公共方法來返回這個變數。實現程式碼如下：

 1 /*
 2* 設計可以返回執行結果的執行緒
 3* 定義一個執行緒讀取檔案內容, 使用字串存取結果並返回主執行緒
 4*/
 5 public class ReturnDigestTest extends Thread{
 6//定義檔名
 7private String fileName;
 8//定義一個字串物件result, 用於存取執行緒執行結果
 9private String result;
10
11public ReturnDigestTest(String fileName) {
12this.fileName = fileName;
13}
14//run方法中讀取本目錄下檔案, 並存儲至result
15@Override
16public void run() {
17try (FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName)){
18byte[] buffer = new byte[1024];
19int hasRead = 0;
20while ((hasRead = fis.read(buffer)) > 0) {
21result = new String(buffer, 0, hasRead);
22}
23} catch (IOException e) {
24e.printStackTrace();
25} 
26}
27//定義返回result結果的方法
28public String getResult() {
29return result;
30}
31public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
32//測試, 在子執行緒中執行讀取檔案, 主執行緒返回
33ReturnDigestTest returnDigestTest = new ReturnDigestTest("test.txt");
34returnDigestTest.start();
35//以下結果返回null. 因為getResult方法執行的時候, 子執行緒可能還沒結束
36System.out.println(returnDigestTest.getResult());
37}
38 }

執行結果會輸出一個null，原因在於讀取檔案的執行緒需要執行時間，所以很可能到主執行緒呼叫getResult方法的時候，子執行緒還沒結束，結果就為null了。

如果在上面程式碼第35行，增加TimeUnit.SECONDS.sleep(5); 使主執行緒休眠5秒鐘，你會發現結果正確返回。

競態條件

在多執行緒環境下的實際開發場景中，更為常見的情形是，業務執行緒需要不斷迴圈獲取多個執行緒執行的返回結果。如果按照上述思路開發，那可能的結果為null，也可能導致程式掛起。上述方法是否成功，取決於競態條件(Race Condition)，包括執行緒數、CPU數量、CPU運算速度、磁碟讀取速度、JVM執行緒排程演算法。

輪詢

作為對上述方法的一個優化，可以讓主執行緒定期詢問返回狀態，直到結果非空在進行獲取，這就是輪詢的思路。沿用上面的例子，只需要把36行修改如下即可：

1 //使用輪詢, 判斷執行緒返回結果是否為null
2while (true) {
3if (returnDigestTest.getResult() != null) {
4System.out.println(returnDigestTest.getResult());
5break;
6}
7}

但是，這個方法仍然不具有普適性，在有些JVM，主執行緒會佔用幾乎所有執行時間，而導致子執行緒無法完成工作。

即便不考慮這個因素，這個方法仍然不理想，它使得CPU執行時間被額外佔用了。就好像一個搭公交的小孩，每一站都在問：請問到站了嗎？因此，比較理想的方法，是讓子執行緒在它完成任務後，通知主執行緒，這就是回撥方法。

介面回撥的應用

在非同步程式設計中，回撥的意思是，一個執行緒在執行中或完畢後，通知另外一個執行緒，返回一些訊息。而介面回撥，則是充分利用了Java多型的特徵，使用介面作為回撥方法的引用。

使用介面回撥技術來優化上面的問題，可以設計一個實現Runnable介面的類，一個回撥方法的介面，以及一個回撥方法介面的實現類（main方法所在類），具體實現如下

實現Runnable的類

 1 /*
 2* 使用介面回撥, 實現執行緒執行結果的返回
 3*/
 4 public class CallbackDigest implements Runnable{
 5private String fileName;
 6private String result;
 7//定義回撥方法介面的引用
 8private CallbackUserInterface cui;
 9public CallbackDigest(String fileName, CallbackUserInterface cui) {
10this.fileName = fileName;
11this.cui = cui;
12}
13@Override
14public void run() {
15try (FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName)){
16byte[] buffer = new byte[1024];
17int hasRead = 0;
18while((hasRead = fis.read(buffer)) > 0) {
19result = new String(buffer, 0, hasRead);
20}
21//通過回撥介面引用, 呼叫了receiveResult方法, 可以在主執行緒中返回結果.
22//此處利用了多型
23cui.receiveResult(result, fileName);
24} catch (IOException e) {
25e.printStackTrace();
26} 
27}
28 }

回撥方法介面

1 public interface CallbackUserInterface {
2//只定義了回撥方法, 傳入一個待讀取的檔名引數, 和返回結果
3public void receiveResult(String result, String fileName);
4 }

回撥方法介面實現類

 1 public class CallbackTest implements CallbackUserInterface {
 2//實現回撥方法
 3@Override
 4public void receiveResult(String result, String fileName) {
 5System.out.println("檔案" + fileName + "的內容是: \n" + result);
 6}
 7 
 8public static void main(String[] args) {
 9//新建回撥介面引用, 指向實現類的物件
10CallbackUserInterface test = new CallbackTest();
11new Thread(new CallbackDigest("test.txt", test)).start();
12}
13 }

介面回撥的技術主要有4個關鍵點：

1. 發出資訊的執行緒類 ：定義回撥方法介面的引用，在構造方法中初始化。

2. 發出資訊的執行緒類 ：使用回撥方法介面的引用，來呼叫回撥方法。

3. 收取資訊的執行緒類 ：實現回撥介面，新建回撥介面的引用，指向該類的物件。

4. 發出資訊的執行緒類 ：新建執行緒類物件是，傳入3中新建的實現類物件。

Callable和FutureTask的使用

Callable的底層實現類似於一個回撥介面，而FutureTask類似於本例子中讀取檔案內容的執行緒實現類。因為FutureTask實現了Runnable介面，所以它的實現類是可以多執行緒的，而內部就是呼叫了Callable介面實現類的回撥方法，從而實現執行緒結果的返回機制。demo程式碼如下：

 1 public class TestCallable implements Callable<Integer>{
 2//實現Callable並重寫call方法作為執行緒執行體, 並設定返回值1
 3@Override
 4public Integer call() throws Exception {
 5System.out.println("Thread is running...");
 6Thread.sleep(3000);
 7return 1;
 8}
 9
10public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
11//建立Callable實現類的物件
12TestCallable tc = new TestCallable();
13//建立FutureTask類的物件
14FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(tc);
15//把FutureTask實現類物件作為target,通過Thread類物件啟動執行緒
16new Thread(task).start();
17System.out.println("do something else...");
18//通過get方法獲取返回值
19Integer integer = task.get();
20System.out.println("The thread running result is :" + integer);
21}
22 }