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Java面试必看！FutureTask原来是这样？

大家好，我是闫工！今天又是一个阳光明媚的日子，我们来聊一聊Java中一个非常重要的类——FutureTask。作为一个Java工程师，如果你还没搞懂FutureTask，那可就有点说不过去了。尤其是对于正在准备面试的小伙伴来说，理解这个知识点几乎是必修课。那么，今天闫工就带大家一起来深入了解一下FutureTask到底是啥，它是怎么工作的，以及在实际开发中该如何使用它。

一、什么是FutureTask？

首先，我们得搞清楚FutureTask是什么。简单来说，FutureTask是一个可以被取消的任务，它可以返回一个结果，并且可以在任务完成时进行回调处理。听起来好像有点抽象，不过别担心，闫工会一步步拆解给你看。

在Java中，FutureTask位于java.util.concurrent包下，它实现了RunnableFuture接口。这意味着它既是一个Runnable（可以被线程执行的任务），又是一个Future（可以用来获取任务执行的结果）。这个双重身份让FutureTask变得非常强大。

1.1 FutureTask的继承关系

让我们先看看FutureTask的继承关系：

publicclassFutureTask<V>implementsRunnableFuture<V>,Serializable{// ...}

从上面可以看到，FutureTask直接实现了RunnableFuture接口，并且继承了Serializable接口（表示它可以被序列化）。而RunnableFuture又继承了两个重要的接口：Runnable和Future<V>。

• Runnable：这个大家都熟悉，它只有一个run()方法，可以用来执行任务。
• Future<V>：这个接口用于表示异步计算的结果。它的主要作用是通过get()方法来获取任务的返回值，并且可以通过cancel()方法来取消任务。

所以，FutureTask结合了这两个能力，既是一个可以被线程执行的任务，又可以在任务完成后获取结果或者处理异常。

1.2 FutureTask和CompletableFuture的区别

在Java中还有一个非常强大的类叫做CompletableFuture，它也是用来处理异步任务的。那么问题来了，FutureTask和CompletableFuture有什么区别呢？它们是不是可以互相替代？

答案是：虽然它们都可以用来处理异步任务，但它们的设计理念和使用场景有所不同。

• FutureTask更偏向于底层实现，它可以被手动控制执行、取消以及结果的获取。
• CompletableFuture则是更高层次的API，它提供了丰富的组合方法（比如thenApply()、whenComplete()等），可以让我们以声明式的方式处理异步流程，并且支持链式调用。

简单来说，如果你想更底层地控制任务的执行，FutureTask会更适合；而如果你需要处理复杂的异步流程，CompletableFuture则是更好的选择。不过在实际开发中，这两个类是可以结合使用的。

二、FutureTask的核心实现

接下来，我们来深入了解一下FutureTask的核心实现。理解这些实现细节，可以帮助我们在使用时更加得心应手。

2.1 FutureTask的构造方法

FutureTask有两个常用的构造方法：

publicFutureTask(Callable<V>callable){this(callable,null);}publicFutureTask(Runnablerunnable,Vresult){// ...}

第一个构造方法接受一个Callable对象，Callable和Runnable类似，但它可以返回一个结果，并且可能抛出异常。第二个构造方法接受一个Runnable和一个结果值。

2.2 FutureTask的run()方法

既然FutureTask实现了Runnable接口，那么它一定有一个run()方法。我们来看看这个方法是怎么实现的：

publicvoidrun(){if(state!=NEW||!UNSAFE.compareAndSwapObject(this,stateOffset,NEW,RUNNING))return;try{Callable<V>c=callable;if(c!=null&&state==RUNNING){Vresult=c.call();completed(result);}}catch(Throwableex){completedExceptionally(ex);}}

这段代码有点复杂，但我们可以分段来看：

1. 首先检查状态是否为NEW，如果不是，则直接返回。否则，尝试将状态从NEW改为RUNNING。
2. 如果任务处于RUNNING状态，那么调用callable.call()方法来执行任务，并获取结果。
3. 如果任务执行过程中抛出异常，那么调用completedExceptionally(ex)来处理异常。

这里的状态控制非常关键。FutureTask内部使用了一个int类型的变量state来表示任务的生命周期：

• NEW：任务尚未开始执行。
• RUNNING：任务正在执行中。
• COMPLETED：任务已经完成，无论是正常完成还是抛出异常。

2.3 FutureTask的状态控制

状态控制是FutureTask的核心机制之一。通过状态的改变，FutureTask可以确保任务只被执行一次，并且在任务完成后无法被重新执行或取消。

让我们来看看state变量是如何被操作的：

privatevolatileintstate;privatestaticfinalintNEW=0;privatestaticfinalintRUNNING=1;privatestaticfinalintCOMPLETED=2;

状态是一个volatile变量，这意味着每次访问它都会从主内存中读取最新的值。这保证了线程之间的可见性。

2.4 FutureTask的完成和异常处理

当任务执行完成后，FutureTask会调用completed(result)方法来设置结果：

privatevoidcompleted(Vresult){if(UNSAFE.compareAndSwapInt(this,stateOffset,RUNNING,COMPLETED)){outcome=result;// 唤醒等待的任务onCompletion();}}

如果任务执行过程中抛出异常，那么会调用completedExceptionally(ex)方法：

privatevoidcompletedExceptionally(Throwableex){if(UNSAFE.compareAndSwapInt(this,stateOffset,RUNNING,COMPLETED)){exception=ex;outcome=null;// 唤醒等待的任务onCompletion();}}

在这两个方法中，onCompletion()会被调用，用于通知所有等待的任务继续执行。

三、FutureTask的使用场景

了解了FutureTask的基本实现后，接下来我们来看看它有哪些实际应用场景。

3.1 异步任务执行

最常见的使用场景就是异步任务执行。假设我们需要在后台线程中执行一个耗时操作，而主线程不需要等待这个操作完成，那么就可以使用FutureTask来实现。

例如：

publicclassAsyncTaskExample{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException,ExecutionException{FutureTask<String>futureTask=newFutureTask<>(newCallable<String>(){@OverridepublicStringcall()throwsException{// 模拟耗时操作Thread.sleep(2000);return"任务执行完成！";}});// 提交到线程池执行ExecutorServiceexecutor=Executors.newSingleThreadExecutor();executor.execute(futureTask);System.out.println("主线程继续执行...");// 获取结果，阻塞直到任务完成Stringresult=futureTask.get();System.out.println(result);// 关闭线程池executor.shutdown();}}

在这个例子中，我们创建了一个FutureTask，并将它提交到一个单线程线程池中执行。主线程继续执行而不被阻塞，直到调用futureTask.get()时才会阻塞等待任务完成。

3.2 结果获取

除了异步执行，FutureTask的另一个重要功能就是能够获取任务的结果。如果任务已经完成，那么get()方法会立即返回结果；否则，它会阻塞直到任务完成。

例如：

publicclassResultExample{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException,ExecutionException{FutureTask<Integer>futureTask=newFutureTask<>(newCallable<Integer>(){@OverridepublicIntegercall()throwsException{return42;}});Threadthread=newThread(futureTask);thread.start();System.out.println("等待结果...");intresult=futureTask.get();System.out.println("得到结果："+result);thread.join();}

在这个例子中，我们启动了一个线程来执行FutureTask，然后在主线程中调用futureTask.get()来获取结果。

3.3 异常处理

如果任务在执行过程中抛出异常，那么FutureTask会捕获这个异常，并将其存储起来。我们可以使用get()方法来检查是否有异常发生：

publicclassExceptionExample{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException,ExecutionException{FutureTask<Void>futureTask=newFutureTask<>(newCallable<Void>(){@OverridepublicVoidcall()throwsException{thrownewRuntimeException("任务执行失败");}});Threadthread=newThread(futureTask);thread.start();try{futureTask.get();}catch(ExecutionExceptione){System.out.println("捕获到异常："+e.getCause());}thread.join();}}

在这个例子中，任务执行时会抛出一个RuntimeException，我们通过在get()方法外层包裹一个try-catch块来捕获这个异常。

3.4 组合多个FutureTask

有时候我们需要组合多个FutureTask的结果。例如，我们可以等待所有任务完成后再处理结果：

publicclassMultipleTasksExample{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException,ExecutionException{ExecutorServiceexecutor=Executors.newFixedThreadPool(2);FutureTask<String>task1=newFutureTask<>(newCallable<String>(){@OverridepublicStringcall()throwsException{Thread.sleep(1000);return"任务1完成";}});FutureTask<String>task2=newFutureTask<>(newCallable<String>(){@OverridepublicStringcall()throwsException{Thread.sleep(2000);return"任务2完成";}});executor.execute(task1);executor.execute(task2);// 等待所有任务完成List<FutureTask<String>>tasks=Arrays.asList(task1,task2);for(FutureTask<String>future:tasks){Stringresult=future.get();System.out.println(result);}executor.shutdown();}}

在这个例子中，我们使用了一个固定大小的线程池来执行两个FutureTask。主线程会依次调用每个任务的get()方法，直到所有任务完成。

四、FutureTask与CompletableFuture

在Java 8中引入了CompletableFuture类，它提供了更强大和灵活的方式来处理异步任务。CompletableFuture可以看作是对FutureTask的增强版，因为它支持链式调用、异常处理、多个依赖任务等。

不过，FutureTask仍然是一个基础但非常有用的工具，特别是在需要手动控制线程执行的情况下。

4.1 使用CompletableFuture替代

虽然CompletableFuture功能更强大，但我们仍然可以在必要时使用FutureTask。例如：

publicclassCompletableFutureExample{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException,ExecutionException{CompletableFuture<String>future=CompletableFuture.supplyAsync(()->{Thread.sleep(2000);return"任务完成";});Stringresult=future.get();System.out.println(result);}}

这个例子展示了如何使用CompletableFuture来实现与之前FutureTask类似的功能。

4.2 结合两者使用

有时候，我们可能需要将FutureTask和CompletableFuture结合起来使用。例如：

publicclassCombinedExample{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException,ExecutionException{FutureTask<String>task=newFutureTask<>(()->"任务完成");CompletableFuture<String>completableTask=CompletableFuture.fromFuture(task);Stringresult=completableTask.get();System.out.println(result);}}

在这个例子中，我们将一个FutureTask转换为CompletableFuture，从而可以利用CompletableFuture的高级功能。

五、总结

FutureTask是Java并发编程中的一个重要工具，它允许多个线程协作执行任务，并能够获取任务的结果。虽然在Java 8之后引入了更强大的CompletableFuture，但FutureTask仍然是一个简单而有效的选择，特别是在需要手动控制线程的情况下。

通过合理使用FutureTask，我们可以有效地管理异步任务的执行和结果获取，从而提升程序的性能和响应速度。

步骤详解

1. 创建FutureTask

   • 使用Callable接口定义的任务来初始化FutureTask。例如：

     FutureTask<String>task=newFutureTask<>(newCallable<String>(){@OverridepublicStringcall()throwsException{Thread.sleep(2000);return"任务完成";}});

2. 启动线程执行任务

   • 将FutureTask提交给线程或线程池来执行。例如，使用Thread类：

     newThread(task).start();

   或者使用Executor框架：

   ExecutorServiceexecutor=Executors.newSingleThreadExecutor();executor.execute(task);

3. 获取任务结果

   • 调用FutureTask的get()方法来阻塞等待任务完成并获取结果。例如：

     Stringresult=task.get();System.out.println(result);// 输出: 任务完成

4. 处理异常

   • 如果任务执行过程中抛出异常，可以在调用get()时捕获ExecutionException，并从中获取实际的异常原因。例如：

     try{Stringresult=task.get();}catch(ExecutionExceptione){System.out.println("任务执行失败: "+e.getCause().getMessage());}

5. 关闭线程池

   • 如果使用了ExecutorService，记得在所有任务完成后关闭它以释放资源：

     executor.shutdown();

示例代码

importjava.util.concurrent.*;publicclassFutureTaskExample{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException,ExecutionException{// 创建一个FutureTask实例FutureTask<String>futureTask=newFutureTask<>(newCallable<String>(){@OverridepublicStringcall()throwsException{Thread.sleep(2000);// 模拟耗时操作return"任务执行完成";}});// 启动线程执行FutureTasknewThread(futureTask).start();// 等待任务完成并获取结果Stringresult=futureTask.get();System.out.println(result);// 输出: 任务执行完成// 检查任务是否已完成booleanisDone=futureTask.isDone();System.out.println("任务是否已完成: "+isDone);// 输出: true}}

注意事项

• 线程安全：确保在多线程环境下对共享资源进行适当的同步。
• 异常处理：及时捕获和处理可能的ExecutionException，以防止程序崩溃或意外终止。
• 资源管理：如果使用了ExecutorService，请记得关闭它以避免内存泄漏。

通过以上步骤和示例代码，可以清晰地看到如何利用FutureTask来实现异步任务执行和结果获取。这不仅提升了程序的响应速度，还简化了线程间的协作流程。

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