戏（细）说Executor框架线程池任务执行全过程（下）

作者 张超盟 [上一篇文章](http://www.infoq.com/cn/articles/executor-framework-thread-pool-task-execution-part-01)中通过引入的一个例子介绍了在Executor框架下，提交一个任务的过程，这个过程就像我们老大的老大要找个老大来执行一个任务那样简单。并通过剖析ExecutorService的一种经典实现ThreadPoolExecutor来分析接收任务的主要逻辑，发现ThreadPoolExecutor的工作思路和我们带项目的老大的工作思路完全一致。在本文中我们将继续后面的步骤，着重描述下任务执行的过程和任务执行结果获取的过程。会很容易发现，这个过程我们更加熟悉，因为正是每天我们工作的过程。除了ThreadPoolExecutor的内部类Worker外，对执行内容和执行结果封装的FutureTask的表现是这部分着重需要了解的。 为了连贯期间，内容的编号延续上篇。 ### 2. 任务执行 其实应该说是任务被执行，任务是宾语。动宾结构：execute the task，执行任务，无论写成英文还是中文似乎都是这样。那么主语是是who呢？明显不是调用submit的那位（线程），那是哪位呢？上篇介绍ThreadPoolExecutor主要属性时提到其中有一个HashSet workers的集合，我们有说明这里存储的就是线程池的工作队列的集合，队列的对象是Worker类型的工作线程，是ThreadPoolExecutor的一个内部类，实现了Runnable接口： ~~~ private final class Worker implements Runnable ~~~ 8)  看作业线程干什么当然是看它的run方法在干什么。如我们所料，作业线程就是在一直调用getTask方法获取任务，然后调用 runTask(task)方法执行任务。看到没有，是在while循环里面，就是不干完不罢休的意思！在加班干活的苦逼的朋友们，有没有遇见战友的亲切感觉？ ~~~ public void run() { try { Runnable task = firstTask; //循环从线程池的任务队列获取任务 while (task != null || (task = getTask()) != null) { //执行任务 runTask(task); task = null; } } finally { workerDone(this); } } ~~~ 然后简单看下getTask和runTask(task)方法的内容。 9) getTask方法是ThreadPoolExecutor提供给其内部类Worker的的方法。作用就是一个，从任务队列中取任务，源源不断地输出任务。有没有想到老大手里拿的总是满满当当的project，也是源源不断的。 ~~~ Runnable getTask() { for (;;) { //从任务队列的头部取任务 r = workQueue.take(); return r; } } ~~~ 10) runTask(Runnable task)是工作线程Worker真正处理拿到的每个具体任务。看到这里才可用确认我们的猜想，之前提到[[y1]](http://infoqhelp.sinaapp.com/architectgen#_msocom_1) 的“执行任务”这个动宾结构前面的主语正是这些Worker呀。唠叨了半天（看主要方法都看到了整整第10个了），前面都是派活，这里才是干活。和我们的工作何其相似！老大（LD），老大的老大（LD^2），老大的老大（LD^n） 非常辛苦，花了很多时间、精力在会议室、在project上想着怎么生成和安排任务，然而真的轮到咱哥们干活，可能花了不少时间，但看看流程就是这么简单。**三个大字：“****Just do it****”。** ~~~ private void runTask(Runnable task) { //调用任务的run方法，即在Worker线程中执行Task内定义内容。 task.run(); } ~~~ 需要注意的地方出现了，调用的其实是task的run方法。看下FutureTask的run方法做了什么事情。 这里插入一个FutureTask的类图。可以看到FutureTask实现了RunnableFuture接口，所以FutureTask即有Runnable接口的run方法来定义任务内容，也有Future接口中定义的get、cancel等方法来控制任务执行和获取执行结果。Runnable接口自不用说，Future接口的伟大设计，就是使得实现该接口的对象可以阻塞线程直到任务执行完毕，也可以取消任务执行，检测任务是执行完毕还是被取消了。想想在之前我们使用Thread.join()或者Thread.join(long millis)等待任务结束是多么苦涩啊。 FutureTask内部定义了一个Sync的内部类，继承自AQS，来维护任务状态。关于AQS的设计思路，可以参照参考Doug Lea大师的原著[_The java_._util_._concurrent Synchronizer Framework_](http://gee.cs.oswego.edu/dl/papers/aqs.pdf)。  11) 和其他的同步工具类一样，FutureTask的主要工作内容也是委托给其定义的内部类Sync来完成。 ~~~ public void run() { //调用Sync的对应方法 sync.innerRun(); } ~~~ 12)   FutureTask.Sync.innerRun()，这样做的目的就是为了维护任务执行的状态，只有当执行完后才能够获得任务执行结果。在该方法中，首先设置执行状态为RUNNING只有判断任务的状态是运行状态，才调用任务内封装的回调，并且在执行完成后设置回调的返回值到FutureTask的result变量上。在FutureTask中，innerRun等每个“写”方法都会首先修改状态位，在后续会看到innerGet等“读”方法会先判断状态，然后才能决定后续的操作是否可以继续。下图是FutureTask.Sync中几个重要状态的流转情况，和其他的同步工具类一样，状态位使用的也是父类AQS的state属性。  ~~~ void innerRun() { //通过对AQS的状态位state的判断来判断任务的状态是运行状态，则调用任务内封装的回调，并且设置回调的返回值 if (getState() == RUNNING) innerSet(callable.call()); } void innerSet(V v) { for (;;) { int s = getState(); //设置运行状态为完成，并且把回调额执行结果设置给result变量 if (compareAndSetState(s, RAN)) { result = v; releaseShared(0); done(); return; } } ~~~ 至此工作线程执行Task就结束了。提交的任务是由Worker工作线程执行，正是在该线程上调用Task中定义的任务内容，即封装的Callable回调，并设置执行结果。下面就是最重要的部分：调用者如何获取执行的结果。让你加班那么久，总得把成果交出来吧。老大在等，因为老大的老大在等！ ### 3. 获取执行结果 前面说过，对于老大的老大这样的使用者来说，获取执行结果这个过程总是最容易的事情，只需调用FutureTask的get()方法即可。该方法是在Future接口中就定义的。get方法的作用就是等待执行结果。（Waits if necessary for the computation to complete, and then retrieves its result.）Future这个接口命名得真好，虽然是在未来，但是定义有一个get()方法，总是“可以掌控的未来，总是有收获的未来！”实现该接口的FutureTask也应该是这个意思，在未来要完成的任务，但是一样要有结果哦。 13)  FutureTask的get方法同样委托给Sync来执行。和该方法类似，还有一个V get(long timeout, TimeUnit unit)，可以配置超时时间。 ~~~ public V get() throws InterruptedException, ExecutionException { return sync.innerGet(); } ~~~ 14)  在Sync的 innerGet方法中，调用AQS父类定义的获取共享锁的方法acquireSharedInterruptibly来等待执行完成。如果执行完成了则可以继续执行后面的代码，返回result结果，否则如果还未完成，则阻塞线程等待执行完成。[[bd2]](http://infoqhelp.sinaapp.com/architectgen#_msocom_2) 再大的老大要想获得结果也得等老子干完了才行！可以看到调用FutureTask的get方法，进而调用到该方法的一定是想要执行结果的线程，一般应该就是提交Task的线程，而这个任务的执行是在Worker的工作线程上，通过AQS来保证执行完毕才能获取执行结果。该方法中acquireSharedInterruptibly是AQS父类中定义的获取共享锁的方法，但是到底满足什么条件可以成功获取共享锁，这是Sync的tryAcquireShared方法内定义的。[[bd3]](http://infoqhelp.sinaapp.com/architectgen#_msocom_3) 具体说来，innerIsDone用来判断是否执行完毕，如果执行完毕则向下执行，返回result即可；如果判断未完成，则调用AQS的doAcquireSharedInterruptibly来挂起当前线程，一直到满足条件。这种思路在其他的几种同步工具类[Semaphore](http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/Semaphore.html)、[CountDownLatch](http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/CountDownLatch.html)、[ReentrantLock](http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/locks/ReentrantLock.html)、[ReentrantReadWriteLock](http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/locks/ReentrantReadWriteLock.html)也广泛使用。借助AQS框架，在获取锁时，先判断当前状态是否允许获取锁，若是允许则获取锁，否则获取不成功。获取不成功则会阻塞，进入阻塞队列。而释放锁时，一般会修改状态位，唤醒队列中的阻塞线程。每个同步工具类的自定义同步器都继承自AQS父类，是否可以获取锁根据同步类自身的功能要求覆盖AQS对应的try前缀方法，这些方法在AQS父类中都是只有定义没有内容。可以参照《[源码剖析AQS在几个同步工具类中的使用](http://www.idouba.net/sync-implementation-by-aqs/)》来详细了解。 突然想到想想那些被称为老大的，是不是整个career流程就是只干两件事情：submit a task， then wait and get the result。不对，还有一件事情，不是等待，而是催。“完了没，完了没？schedule很紧的，抓点紧啊，要不要适当加点班啊……” ~~~ V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException { //获得锁，表示执行完毕，才能获得后执行结果，否则阻塞等待执行完成再获取执行结果 acquireSharedInterruptibly(0); return result; } protected int tryAcquireShared(int ignore) { return innerIsDone()? 1 : -1; } ~~~ 至此，获得执行结果，圆满完成任务！ 老大的老大，拍着咱们老大的肩膀（或者深情的抚摸着咱们老大唏嘘胡茬的脸庞）说：“亲，你这活干的漂亮！”而隔壁桌座位的几个兄弟，刚熬了几个晚上加班交付完这波task后，发现任务队列里又有新任务了，俺们老大又从他的另外一个老大手里接来的任务了。每个人都按照这样的角色进行着，依照这样的角色安排和谐愉快地进行着。。。 选择合适的任务执行服务，如可以根据需要选择ThreadPoolExecutor还是ScheduledThreadPoolExecutor，并定制ExecutorService的配置。 定义好任务的工作内容和结果类型，提交任务，等待任务的执行结果 | 角色名 | 任务用户 | 任务管理者 | 任务执行者 | |--|---|---|---| | **角色属性** | 任务的甲方 | 任务的乙方 | 乙方的工具 | | **角色说明** | 接收提交的任务；维护执行服务内部管理；配置工作线程执行任务 | 每个工作线程一直从任务执行服务获取待执行的任务，保证任务完成后返回执行结果 | | | **Executor中对应** | 创建获取ExecutorService、并提交Task的外部接口 | ExecutorService的各种实现。 | 执行服务内定义的配套的Worker线程。如ThreadPoolExecutor.Worker | | **主要接口方法** | submit(Callable task) | execute(Runnable command) | runTask(Runnable task) | | **现实角色映射** | 手里有活的大老大 | 领人干活的老大 | 真正干活的码农 | | **主要工作伪代码** | taskService = createService() future=taskService.submitTask() future.get() | executeTask() { addTask() createThread() } | while(ture) { getTask() runTask() } | ## 四、 总结 从时序图上看主要的几个角色是这样配合完成任务提交、任务执行、获取执行结果这几个步骤的。  1. 外面需要提交任务的角色（如例子中老大的老大），首先创建一个任务执行服务ExecutorService，一般使用工具类Executors的若干个工厂方法 创建不同特征的线程池ThreadPoolExecutor，例子中是使用newFixedThreadPool方法创建有n个固定工作线程的线程池。 2. 线程池是专门负责从外面接活的老大。把任务封装成一个FutureTask对象，并根据输入定义好要获得结果的类型，就可以submit任务了。 3. 线程池就像我们团队里管人管项目的老大，各个都有一套娴熟、有效的办法来对付输入的任务和手下干活的兄弟一样，内部有一套比较完整、细致的任务管理办法，工作线程管理办法，以便应付输入的任务。这些逻辑全部在其execute方法中体现。 4. 线程池接收输入的task，根据需要创建工作线程，启动工作线程来执行task。 5. 工作线程在其run方法中一直循环，从线程池领取可以执行的task，调用task的run方法执行task内定义的任务。 6. FutureTask的run方法中调用其内部类Sync的innerRun方法来执行封装的具体任务，并把任务的执行结果返回给FutureTask的result变量。 7. 当提及任务的角色调用FutureTask的get方法获取执行结果时，Sync的innerGet方法被调用。根据任务的执行状态判断，任务执行完毕则返回执行结果；未执行完毕则等待。 还记得我们费了半天劲试图找出任务执行时那个动宾结构的主语吗？从示例上看更像是线程池在向外提供任务执行的服务。就像我们的老大在代表我们接收任务、执行任务、提交执行结果。明显我们这些真正的Worker成了延伸，有点搞不懂到底我们是主语，还是主语延伸的工具，就像定义ThreadPoolExecutor的内部类Worker一样。我们只是工具，不是主语，是状语： execute the task by workers。突然想到毛主席当年的“数风流人物，还看今朝”，说的应该是这些Worker的劳苦大众吧，怎么都今朝这么久了，俺们这些Woker们还是风流不起来呢？风骚的作者居然在上面严肃的时序图上加了个风骚的小星星，向同行的Worker们致敬！