并发编程之Callable、Runnable、Future与FutureTask

前言

在 Java 中，Callable、Future 和 FutureTask 是用于实现多线程编程和异步任务处理的重要接口和类。

一、Callable与Runnable

1.1 Callable

@FunctionalInterface
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;
}

注解是函数式接口，意味着可以用lambda表达式更简洁地使用它。Callable是个泛型接口，只有一个方法call，方法的返回类型是传递进来的V类型。call方法还支持抛出异常。

1.2 Runnable

@FunctionalInterface
public interface Runnable {/*** When an object implementing interface <code>Runnable</code> is used* to create a thread, starting the thread causes the object's* <code>run</code> method to be called in that separately executing* thread.* <p>* The general contract of the method <code>run</code> is that it may* take any action whatsoever.** @see     java.lang.Thread#run()*/public abstract void run();
}

和Callable非常相似，同样是函数式接口，只有一个方法run，没有返回类型。

1.3 二者对比

返回结果：
Callable 接口中的 call() 方法可以返回结果，并且可以抛出受检异常。这使得 Callable 更适合于需要返回结果的任务。
Runnable 接口的 run() 方法没有返回值，只能通过外部变量或其他方式来传递任务执行的结果。
异常处理：
Callable 接口的 call() 方法可以抛出受检异常，而 Runnable 接口的 run() 方法只能捕获异常并在方法内部处理。
这使得 Callable 在处理异常时更加灵活，可以通过 throws 关键字声明受检异常。
线程池提交：
Callable 接口通常与 ExecutorService 结合使用，可以通过 ExecutorService.submit() 方法提交 Callable 任务，并获取返回的 Future 对象来获取结果。
Runnable 接口也可以通过 ExecutorService 提交任务，但无法直接获取任务执行的结果，需要通过其他方式来实现结果的传递和处理。
适用场景：
Callable 适用于需要返回结果、处理异常以及更复杂任务逻辑的场景，例如需要执行计算、查询数据库等操作。
Runnable 适用于简单的并发任务，不需要返回结果或处理异常的场景，例如执行简单的耗时操作或更新 UI 界面等。

关于线程池提交这一点，看一下ExecutorService的submit()相关重载方法：

首先ExecutorService 继承自Executor，而Executor是一个接口，Executor 接口定义了一个 execute() 方法，用于执行给定的任务（即 Runnable 对象）。该方法没有返回值，只是负责接收一个 Runnable 任务，并在将来的某个时间执行该任务。

public interface ExecutorService extends Executor {

public interface Executor {/*** Executes the given command at some time in the future.  The command* may execute in a new thread, in a pooled thread, or in the calling* thread, at the discretion of the {@code Executor} implementation.** @param command the runnable task* @throws RejectedExecutionException if this task cannot be* accepted for execution* @throws NullPointerException if command is null*/void execute(Runnable command);
}

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

submit(Callable<T> task)：
这个方法接收一个 Callable 对象作为参数，表示需要执行的任务，并返回一个 Future 对象。
Callable 接口的泛型类型 T 表示任务执行完毕后的返回结果类型。
返回的 Future 对象可以用于获取任务执行的结果，可以通过 Future.get() 方法来获取任务执行的结果，该方法会阻塞直到任务执行完毕并返回结果。
submit(Runnable task, T result)：
这个方法接收一个 Runnable 对象和一个泛型类型 T 的参数作为任务和结果，并返回一个 Future 对象。
该方法会执行给定的 Runnable 任务，并将结果作为参数传递给 Future 对象。
返回的 Future 对象可以用于获取任务执行的状态，但无法获取具体的结果。如果需要获取结果，可以调用 Future.get() 方法，但只能获取到传入的结果对象。
submit(Runnable task)：
这个方法接收一个 Runnable 对象作为参数，表示需要执行的任务，并返回一个 Future 对象。
由于 Runnable 接口的 run() 方法没有返回值，因此这种情况下返回的 Future 对象的类型是 Future<?>，表示无法确定任务的返回结果类型。
返回的 Future 对象可以用于获取任务执行的状态，但无法获取具体的结果。

submit()重载方法，都返回了Future，但是只有参数为Callable类型的方法返回的Future结果最完整，接下来看一下Future

二、Future与FutureTask

2.1 Future

Future是一个接口，对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等操作。必要时可以通过get方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

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;
}

cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：
cancel() 方法用于尝试取消任务的执行。如果任务已经完成、已经被取消或者由于其他原因无法取消，则此方法返回 false。
参数 mayInterruptIfRunning 表示是否应该中断正在执行的任务。如果任务已经开始执行并且被中断，则返回 true；否则返回 false。
isCancelled()：
isCancelled方法表示任务是否被取消成功，如果在任务正常完成前被取消成功，则返回 true。
isDone()：
isDone() 方法用于检查任务是否已经完成。如果任务已经完成（无论是正常完成、被取消还是由于异常完成），则返回 true；否则返回 false。
get() throws InterruptedException, ExecutionException：
get() 方法用于获取任务的执行结果。如果任务已经完成，则立即返回结果；如果任务尚未完成，则会阻塞当前线程直到任务完成。
如果任务被取消，会抛出 CancellationException 异常；如果任务执行过程中出现异常，会抛出 ExecutionException 异常；如果在等待过程中当前线程被中断，会抛出 InterruptedException 异常。
get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException：
get(long timeout, TimeUnit unit) 方法与 get() 方法类似，但增加了超时参数，指定最长等待时间。
如果在指定的超时时间内任务完成，则返回结果；如果超时仍未完成，则抛出 TimeoutException 异常。
其他异常情况与 get() 方法相同，可能抛出 InterruptedException 和 ExecutionException 异常。

2.2 FutureTask

FutureTask类实现了RunnableFuture接口，我们看一下RunnableFuture接口的实现：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {

RunnableFuture继承了Runnable接口和Future接口，而FutureTask实现了RunnableFuture接口。所以它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值。

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {/*** Sets this Future to the result of its computation* unless it has been cancelled.*/void run();
}

看一下FutureTask的构造函数

    public FutureTask(Callable<V> callable) {if (callable == null)throw new NullPointerException();this.callable = callable;this.state = NEW;       // ensure visibility of callable}public FutureTask(Runnable runnable, V result) {this.callable = Executors.callable(runnable, result);this.state = NEW;       // ensure visibility of callable}

Runnable注入会被Executors.callable()函数转换为Callable类型，即FutureTask最终都是执行Callable类型的任务。

    public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {if (task == null)throw new NullPointerException();return new RunnableAdapter<T>(task, result);}

    private static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {private final Runnable task;private final T result;RunnableAdapter(Runnable task, T result) {this.task = task;this.result = result;}public T call() {task.run();return result;}public String toString() {return super.toString() + "[Wrapped task = " + task + "]";}}

总结一下FutureTask：
FutureTask是Future接口的一个唯一实现类。
FutureTask继承了Runnable，因此它既可以通过Thread包装来直接执行，也可以提交给ExecutorService来执行。
FutureTask实现了Future，可以直接通过get()函数获取执行结果，该函数会阻塞，直到结果返回。

2.3 二者对比

接口类型：
Future 是一个接口，用于表示一个异步计算的结果，可以通过它来获取任务的执行状态和结果。
FutureTask 是一个实现了 Future 接口的具体类，同时也实现了 Runnable 接口，可以作为一个可执行的任务提交给 ExecutorService 执行。
功能：
Future 接口主要用于获取异步任务的执行状态和结果，可以取消任务、检查任务是否完成，并获取任务的返回结果。
FutureTask 类是一个可执行的任务，可以被提交给 ExecutorService 执行，并且可以通过 Future 接口来获取任务的执行状态和结果。
用法：
Future 通常用于提交 Callable 任务后返回一个 Future 对象，通过该对象可以获取任务的执行状态和结果。
FutureTask 可以直接作为一个任务提交给 ExecutorService，也可以手动创建并执行。FutureTask 可以包装 Callable 或 Runnable 任务，并提供更多的控制和状态查询功能。
状态管理：
Future 接口提供了一种轻量级的异步计算结果的管理机制，但无法手动触发任务的执行。
FutureTask 类提供了更多的状态管理功能，可以手动触发任务的执行、取消任务的执行，并且可以获取任务的执行状态和结果。

总的来说，Future 接口是用于管理异步任务的结果和状态的轻量级接口，而 FutureTask 类是一个具体的实现类，提供了更多的功能和灵活性，可以作为一个可执行的任务提交给 ExecutorService 执行。

三、综合使用

3.1 Callable执行+Future获取结果

 public static void test1() {ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();Callable<Integer> task = new Callable<Integer>() {@Overridepublic Integer call() throws Exception {// 模拟一个耗时的计算任务Thread.sleep(2000);return 42;}};Future<Integer> future = executor.submit(task);System.out.println("Task submitted");try {// 获取任务的执行结果，会阻塞当前线程直到任务完成int result = future.get();System.out.println("Task result: " + result);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}executor.shutdown();}

在这里插入图片描述

3.2 Callable执行任务+FutureTask获取执行结果

 public static void test2() {Callable<Integer> task = new Callable<Integer>() {@Overridepublic Integer call() throws Exception {// 模拟一个耗时的计算任务Thread.sleep(2000);return 42;}};FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(task);Thread thread = new Thread(futureTask);thread.start();System.out.println("Task submitted");try {// 获取任务的执行结果，会阻塞当前线程直到任务完成int result = futureTask.get();System.out.println("Task result: " + result);} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {e.printStackTrace();}}

在这里插入图片描述

四、应用场景

讲了半天，了解一下它的应用场景吧

异步任务执行：FutureTask 可以用来执行异步任务，通过 Callable 接口创建任务并提交给 FutureTask，在需要的时候获取任务的执行结果。
并发任务控制：FutureTask 可以用来控制多个并发任务的执行顺序和结果获取。可以通过多个 FutureTask 对象来管理多个任务，实现任务的并发执行和结果的收集。
超时处理：Future 接口提供了 get 方法的重载版本，可以传入超时时间，用于控制任务的执行时间，避免任务执行时间过长导致程序阻塞。
结果缓存：可以将任务的执行结果缓存起来，避免重复执行相同的任务。FutureTask 可以用来缓存任务的执行结果，当需要结果时先检查缓存，如果缓存中有结果则直接返回，否则执行任务并缓存结果。
多线程协作：FutureTask 可以用来实现多个线程之间的协作。一个线程执行任务，另一个线程等待获取任务执行结果，通过 FutureTask 可以很方便地实现线程之间的通信和协作。

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