死磕java線程系列之自己動手寫一個線程池（續(xù)）

死磕 java線程系列之自己動手寫一個線程池（續(xù)）

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問題

（1）自己動手寫的線程池如何支持帶返回值的任務呢？

（2）如果任務執(zhí)行的過程中拋出異常了該怎么處理呢？

簡介

上一章我們自己動手寫了一個線程池，但是它是不支持帶返回值的任務的，那么，我們自己能否實現(xiàn)呢？必須可以，今天我們就一起來實現(xiàn)帶返回值任務的線程池。

前情回顧

首先，讓我們先回顧一下上一章寫的線程池：

（1）它包含四個要素：核心線程數(shù)、最大線程數(shù)、任務隊列、拒絕策略；

（2）它具有執(zhí)行無返回值任務的能力；

（3）它無法處理有返回值的任務；

（4）它無法處理任務執(zhí)行的異常（線程中的異常不會拋出到線程外）；

那么，我們能不能在現(xiàn)有的基礎上實現(xiàn)其下面兩項能力呢？讓我們一起來試一試吧！

有返回值和無返回值的任務到底有何不同？

答案很明顯，就是一個有返回值，一個無返回值，用偽代碼來表示就是下面這樣：

    // 無返回值
    threadPool.execute(()->{
        System.out.println(1);
    });
    // 有返回值，分兩步走
    // 1. 提交任務到線程池中
    SomeClass result = threadPool.execute(()->{
        System.out.println(1);
        return 1;
    });
    // 2. 等待任務的結(jié)果返回
    Object value = result.get();

無返回值的任務提交了就完事，主線程并不Care它到底有沒有執(zhí)行完，并不關(guān)心它是不是拋出異常，主線程Just提交線程到線程池中，其余什么都不管。

有返回值的任務就不一樣了，主線程首先要提交任務到線程池中，它需要使用到任務執(zhí)行的結(jié)果，所以它必須等待任務執(zhí)行完畢才能拿到任務執(zhí)行的結(jié)果。

那么，為什么不直接在execute的時候就等待任務執(zhí)行完畢呢？這樣的話那不就跟串行沒啥區(qū)別了，還不如直接在主線程執(zhí)行任務呢，還少了線程切換的資源消耗。

之所以要分成兩步，是因為主線程并不一定需要立即獲取返回值，在需要用到返回值的時候才去get，這樣就可以在提交任務和獲取返回值之間干些其它的事情，提高效率。

所以，提交任務的時候不需要阻塞，get返回值的時候才可能需要阻塞，如果get的時候任務已經(jīng)執(zhí)行完畢了，這時候也不需要阻塞，如果get的時候任務還未執(zhí)行完畢，那就要阻塞等待任務執(zhí)行完畢才能獲取到返回值。

實現(xiàn)分析

首先，無返回值的任務我們直接使用的Runnable函數(shù)式接口，有返回值的任務有沒有現(xiàn)成的接口呢？還真有，那就是Callable接口，它有個返回值。

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

其次，提交任務的時候需要有個返回值，它是在將來用來獲取任務執(zhí)行結(jié)果的，實際上它也是新任務的一種能力，可以使用它對任務進行包裝，使其具有返回值的能力。

public interface Future<T> {
    T get();
}

再次，我們需要給現(xiàn)有的線程池增加一種新的能力，根據(jù)單一職責原則，我們定義一個新的接口來承載這種能力。

public interface FutureExecutor extends Executor {
    <T> Future<T> submit(Callable<T> command);
}

然后，我們需要一種新的任務，它既具有舊任務的執(zhí)行能力（run()方法），又具有新任務的返回值能力（get()方法），所以我們造一個“將來的任務”對提交的任務進行包裝，使其具有返回值的能力。

public class FutureTask<T> implements Runnable, Future<T> {

    /**
     * 真正的任務
     */
    private Callable<T> task;

    public FutureTask(Callable<T> task) {
        this.task = task;
    }

    @Override
    public void run() {
        // 具體實現(xiàn)...
    }

    @Override
    public T get() {
        // 具體實現(xiàn)...
    }
}

最后，我們只要對原有的線程池進行擴展，將提交的任務包裝成“將來獲取返回值的任務”，還是使用原來的方法去執(zhí)行，然后返回這個將來的任務即可。

根據(jù)開閉原則，，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創(chuàng)原來的代碼我們不做任何修改，擴展新的子類來實現(xiàn)新的能力。

public class MyThreadPoolFutureExecutor extends MyThreadPoolExecutor implements FutureExecutor, Executor {

    public MyThreadPoolFutureExecutor(String name, int coreSize, int maxSize, BlockingQueue<Runnable> taskQueue, RejectPolicy rejectPolicy) {
        super(name, coreSize, maxSize, taskQueue, rejectPolicy);
    }

    @Override
    public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
        // 包裝成將來獲取返回值的任務
        FutureTask<T> futureTask = new FutureTask<>(task);
        // 還是使用原來的執(zhí)行能力
        execute(futureTask);
        // 返回將來的任務，只需要返回其get返回值的能力即可
        // 所以這里返回的是Future而不是FutureTask類型
        return futureTask;
    }
}

好了，到這里整體的邏輯我們就已經(jīng)比較清晰地實現(xiàn)完了，還剩下最關(guān)鍵的部分，這個“將來的任務”的兩個能力要如何實現(xiàn)。

將來的任務

將來的任務，具有兩個能力：一是執(zhí)行真正任務的能力，二是將來獲取返回值的能力。

public class FutureTask<T> implements Runnable, Future<T> {
    @Override
    public void run() {
        // 具體實現(xiàn)...
    }

    @Override
    public T get() {
        // 具體實現(xiàn)...
    }
}

首先，我們要明確一件事，任務的執(zhí)行是線程池中，獲取返回值是在主線程中，它們是在兩個線程中執(zhí)行的，而且誰先誰后我們無法確定。

其次，如果run()在get()之前執(zhí)行，我們需要告訴get()任務已經(jīng)執(zhí)行完畢了，所以需要一個狀態(tài)來通知這個事，還需要一個變量來承載任務執(zhí)行的返回值。

    /**
     * 任務執(zhí)行的狀態(tài)，0未開始，1正常完成，2異常完成
     * 也可以使用volatile+Unsafe實現(xiàn)CAS操作
     */
    private AtomicInteger state = new AtomicInteger(NEW);
    private static final int NEW = 0;
    private static final int FINISHED = 1;
    private static final int EXCEPTION = 2;
    /**
     * 任務執(zhí)行的結(jié)果，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創(chuàng)
     * 如果執(zhí)行正常，返回結(jié)果為T
     * 如果執(zhí)行異常，返回結(jié)果為Exception
     */
    private Object result;

再次，如果get()在run()之前執(zhí)行，那就需要阻塞等待run()執(zhí)行完畢才能拿到返回值，所以需要保存調(diào)用者（主線程），get()的時候park阻塞住，run()完成了unpark喚醒它來拿返回值。

    /**
     * 調(diào)用者線程
     * 也可以使用volatile+Unsafe實現(xiàn)CAS操作
     */
    private AtomicReference<Thread> caller = new AtomicReference<>();

然后，我們先來看看run()方法的邏輯，它其實就是先執(zhí)行真正的任務，然后修改狀態(tài)為完成，并保存任務的返回值，如果保存了主線程，還要喚醒它。

    @Override
    public void run() {
        // 如果狀態(tài)不是NEW，說明執(zhí)行過了，直接返回
        if (state.get() != NEW) {
            return;
        }
        try {
            // 執(zhí)行任務，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創(chuàng)
            T r = task.call();
            // CAS更新state的值為FINISHED
            // 如果更新成功，就把r賦值給result
            // 如果更新失敗，說明state的值不為NEW了，也就是任務已經(jīng)執(zhí)行過了
            if (state.compareAndSet(NEW, FINISHED)) {
                this.result = r;
                // finish()必須放在修改state里面，見下面的分析
                finish();
            }
        } catch (Exception e) {
            // 如果CAS更新state的值為EXCEPTION成功，就把e賦值給result
            // 如果CAS更新失敗，說明state的值不為NEW了，也就是任務已經(jīng)執(zhí)行過了
            if (state.compareAndSet(NEW, EXCEPTION)) {
                this.result = e;
                // finish()必須放在修改state里面，見下面的分析
                finish();
            }
        }
    }

    private void finish() {
        // 檢查調(diào)用者是否為空，如果不為空，喚醒它
        // 調(diào)用者在調(diào)用get()方法的進入阻塞狀態(tài)
        for (Thread c; (c = caller.get()) != null;) {
            if (caller.compareAndSet(c, null)) {
                LockSupport.unpark(c);
            }
        }
    }

最后，我們再看看get()方法，如果任務還未執(zhí)行，就阻塞等待任務的執(zhí)行；如果任務已經(jīng)執(zhí)行完畢了，直接拿返回值即可；但是，還有一種情況，get()方法執(zhí)行的過程中run()方法也在執(zhí)行，所以get()方法中的每一步都要檢查狀態(tài)的值有沒有變化。

@Override
    public T get() {
        int s = state.get();
        // 如果任務還未執(zhí)行完成，判斷當前線程是否要進入阻塞狀態(tài)
        if (s == NEW) {
            // 標識調(diào)用者線程是否被標記過
            boolean marked = false;
            for (;;) {
                // 重新獲取state的值
                s = state.get();
                // 如果state大于NEW說明完成了，跳出循環(huán)
                if (s > NEW) {
                    break;
                    // 此處必須把caller的CAS更新和park()方法分成兩步處理，不能把park()放在CAS里面
                } else if (!marked) {
                    // 嘗試更新調(diào)用者線程
                    // 試想斷點停在此處，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創(chuàng)
                    // 此時state為NEW，讓run()方法執(zhí)行到底，它不會執(zhí)行finish()中的unpark()方法
                    // 這時打開斷點，這里會更新caller成功，但是循環(huán)從頭再執(zhí)行一遍發(fā)現(xiàn)state已經(jīng)變了，
                    // 直接在上面的if(s>NEW)處跳出循環(huán)了，因為finish()在修改state內(nèi)部
                    marked = caller.compareAndSet(null, Thread.currentThread());
                } else {
                    // 調(diào)用者線程更新之后park當前線程
                    // 試想斷點停在此處
                    // 此時state為NEW，讓run()方法執(zhí)行到底，因為上面的caller已經(jīng)設置值了，
                    // 所以會執(zhí)行finish()方法中的unpark()方法，
                    // 這時再打開斷點，這里不會park住
                    // 見unpark()方法的注釋，上面寫得很清楚：
                    // 如果線程執(zhí)行了park()方法，那么執(zhí)行unpark()方法會喚醒那個線程
                    // 如果先執(zhí)行了unpark()方法，那么線程下一次執(zhí)行park()方法將不會阻塞
                    LockSupport.park();
                }
            }
        }

        if (s == FINISHED) {
            return (T) result;
        }
        throw new RuntimeException((Throwable) result);
    }

在我們的實現(xiàn)中，如果任務執(zhí)行的過程拋出異常了，也是通過result返回給主線程，這樣主線程就拿到了這個異常，它就可以做相應的處理了。

好了，完整的實現(xiàn)到此結(jié)束，不知道你領(lǐng)悟了沒有。

測試用例

最后奉上測試代碼：

public class MyThreadPoolFutureExecutorTest {
    public static void main(String[] args) {
        FutureExecutor threadPool = new MyThreadPoolFutureExecutor("test", 2, 4, new ArrayBlockingQueue<>(6), new DiscardRejectPolicy());
        List<Future<Integer>> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            int num = i;
            Future<Integer> future = threadPool.submit(() -> {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println("running: " + num);
                return num;
            });
            list.add(future);
        }

        for (Future<Integer> future : list) {
            System.out.println("runned: " + future.get());
        }
    }
}

運行結(jié)果：

thread name: core_test2
thread name: test4
thread name: test3
discard one task
thread name: core_test1
discard one task
...省略被拒絕的任務
，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創(chuàng)
discard one task
running: 0
running: 1
running: 8
running: 9
runned: 0
runned: 1
running: 4
running: 2
running: 3
running: 5
runned: 2
runned: 3
runned: 4
runned: 5
running: 6
running: 7
runned: 6
runned: 7
runned: 8
runned: 9

總結(jié)

（1）有返回值的任務是通過包裝成將來的任務來實現(xiàn)的，這個任務既具有基本的執(zhí)行能力，又具有將來獲取返回值的能力；

（2）任務執(zhí)行的異常跟任務正常的返回值是通過同一個返回值返回到主線程的，主線程根據(jù)狀態(tài)判斷是異常還是正常值；

（3）我們的實現(xiàn)中運用了單一職責原則、開閉原則等設計原則，對原有代碼沒有造成任何的侵入；

彩蛋

手寫線程池目前只打算寫這兩章，后面開始進入jdk原生線程池的源碼分析，敬請期待。

另外，需要手寫線程池完整源碼的同學請點擊下面的鏈接獲取。

https://gitee.com/alan-tang-tt/yuan/tree/master/%E6%AD%BB%E7%A3%95%20java%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E7%B3%BB%E5%88%97/MyThreadPool

新聞標題：死磕java線程系列之自己動手寫一個線程池（續(xù)）
瀏覽地址：http://muchs.cn/article2/ghsoic.html

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