【高并发】2.8万字的Callable和Future面试知识点总结，看完我直接面进了字节跳动，原谅我有点飘了（上）

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冰 河 发表于 2022/06/29 09:54:33 2022/06/29
【摘要】 在Java的多线程编程中，除了Thread类和Runnable接口外，不得不说的就是Callable接口Future接口了。使用继承Thread类或者实现Runnable接口的线程，无法返回最终的执行结果数据，只能等待线程执行完成。此时，如果想要获取线程执行后的返回结果，那么，Callable和Future就派上用场了。

大家好，我是冰河~~**

在Java的多线程编程中，除了Thread类和Runnable接口外，不得不说的就是Callable接口Future接口了。使用继承Thread类或者实现Runnable接口的线程，无法返回最终的执行结果数据，只能等待线程执行完成。此时，如果想要获取线程执行后的返回结果，那么，Callable和Future就派上用场了。

注：文章全程高能，建议收藏，如果文章对你有点帮助，小伙伴们一键三连呀，谢谢啦~~

Callable接口

1.Callable接口介绍

Callable接口是JDK1.5新增的泛型接口，在JDK1.8中，被声明为函数式接口，如下所示。

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

在JDK 1.8中只声明有一个方法的接口为函数式接口，函数式接口可以使用@FunctionalInterface注解修饰，也可以不使用@FunctionalInterface注解修饰。只要一个接口中只包含有一个方法，那么，这个接口就是函数式接口。

在JDK中，实现Callable接口的子类如下图所示。

默认的子类层级关系图看不清，这里，可以通过IDEA右键Callable接口，选择“Layout”来指定Callable接口的实现类图的不同结构，如下所示。

这里，可以选择“Organic Layout”选项，选择后的Callable接口的子类的结构如下图所示。

在实现Callable接口的子类中，有几个比较重要的类，如下图所示。

分别是：Executors类中的静态内部类：PrivilegedCallable、PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader、RunnableAdapter和Task类下的TaskCallable。

2.实现Callable接口的重要类分析

接下来，分析的类主要有：PrivilegedCallable、PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader、RunnableAdapter和Task类下的TaskCallable。虽然这些类在实际工作中很少被直接用到，但是作为一名合格的开发工程师，设置是秃顶的资深专家来说，了解并掌握这些类的实现有助你进一步理解Callable接口，并提高专业技能（头发再掉一批，哇哈哈哈。。。）。

  • PrivilegedCallable

PrivilegedCallable类是Callable接口的一个特殊实现类，它表明Callable对象有某种特权来访问系统的某种资源，PrivilegedCallable类的源代码如下所示。

/**
 * A callable that runs under established access control settings
 */
static final class PrivilegedCallable<T> implements Callable<T> {
	private final Callable<T> task;
	private final AccessControlContext acc;

	PrivilegedCallable(Callable<T> task) {
		this.task = task;
		this.acc = AccessController.getContext();
	}

	public T call() throws Exception {
		try {
			return AccessController.doPrivileged(
				new PrivilegedExceptionAction<T>() {
					public T run() throws Exception {
						return task.call();
					}
				}, acc);
		} catch (PrivilegedActionException e) {
			throw e.getException();
		}
	}
}

从PrivilegedCallable类的源代码来看，可以将PrivilegedCallable看成是对Callable接口的封装，并且这个类也继承了Callable接口。

在PrivilegedCallable类中有两个成员变量，分别是Callable接口的实例对象和AccessControlContext类的实例对象，如下所示。

private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;

其中，AccessControlContext类可以理解为一个具有系统资源访问决策的上下文类，通过这个类可以访问系统的特定资源。通过类的构造方法可以看出，在实例化AccessControlContext类的对象时，只需要传递Callable接口子类的对象即可，如下所示。

PrivilegedCallable(Callable<T> task) {
	this.task = task;
	this.acc = AccessController.getContext();
}

AccessControlContext类的对象是通过AccessController类的getContext()方法获取的，这里，查看AccessController类的getContext()方法，如下所示。

public static AccessControlContext getContext(){
	AccessControlContext acc = getStackAccessControlContext();
	if (acc == null) {
		return new AccessControlContext(null, true);
	} else {
		return acc.optimize();
	}
}

通过AccessController的getContext()方法可以看出，首先通过getStackAccessControlContext()方法来获取AccessControlContext对象实例。如果获取的AccessControlContext对象实例为空，则通过调用AccessControlContext类的构造方法实例化，否则，调用AccessControlContext对象实例的optimize()方法返回AccessControlContext对象实例。

这里，我们先看下getStackAccessControlContext()方法是个什么鬼。

private static native AccessControlContext getStackAccessControlContext();

原来是个本地方法，方法的字面意思就是获取能够访问系统栈的决策上下文对象。

接下来，我们回到PrivilegedCallable类的call()方法，如下所示。

public T call() throws Exception {
	try {
		return AccessController.doPrivileged(
			new PrivilegedExceptionAction<T>() {
				public T run() throws Exception {
					return task.call();
				}
			}, acc);
	} catch (PrivilegedActionException e) {
		throw e.getException();
	}
}

通过调用AccessController.doPrivileged()方法，传递PrivilegedExceptionAction。接口对象和AccessControlContext对象，并最终返回泛型的实例对象。

首先，看下AccessController.doPrivileged()方法，如下所示。

@CallerSensitive
public static native <T> T
    doPrivileged(PrivilegedExceptionAction<T> action,
                 AccessControlContext context)
    throws PrivilegedActionException;

可以看到，又是一个本地方法。也就是说，最终的执行情况是将PrivilegedExceptionAction接口对象和AccessControlContext对象实例传递给这个本地方法执行。并且在PrivilegedExceptionAction接口对象的run()方法中调用Callable接口的call()方法来执行最终的业务逻辑，并且返回泛型对象。

  • PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader

此类表示为在已经建立的特定访问控制和当前的类加载器下运行的Callable类，源代码如下所示。

/**
 * A callable that runs under established access control settings and
 * current ClassLoader
 */
static final class PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader<T> implements Callable<T> {
	private final Callable<T> task;
	private final AccessControlContext acc;
	private final ClassLoader ccl;

	PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader(Callable<T> task) {
		SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
		if (sm != null) {
			sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
			sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
		}
		this.task = task;
		this.acc = AccessController.getContext();
		this.ccl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
	}

	public T call() throws Exception {
		try {
			return AccessController.doPrivileged(
				new PrivilegedExceptionAction<T>() {
					public T run() throws Exception {
						Thread t = Thread.currentThread();
						ClassLoader cl = t.getContextClassLoader();
						if (ccl == cl) {
							return task.call();
						} else {
							t.setContextClassLoader(ccl);
							try {
								return task.call();
							} finally {
								t.setContextClassLoader(cl);
							}
						}
					}
				}, acc);
		} catch (PrivilegedActionException e) {
			throw e.getException();
		}
	}
}

这个类理解起来比较简单，首先，在类中定义了三个成员变量，如下所示。

private final Callable<T> task;
private final AccessControlContext acc;
private final ClassLoader ccl;

接下来，通过构造方法注入Callable对象，在构造方法中，首先获取系统安全管理器对象实例，通过系统安全管理器对象实例检查是否具有获取ClassLoader和设置ContextClassLoader的权限。并在构造方法中为三个成员变量赋值，如下所示。

PrivilegedCallableUsingCurrentClassLoader(Callable<T> task) {
	SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
	if (sm != null) {
		sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
		sm.checkPermission(new RuntimePermission("setContextClassLoader"));
	}
	this.task = task;
	this.acc = AccessController.getContext();
	this.ccl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
}

接下来，通过调用call()方法来执行具体的业务逻辑，如下所示。

public T call() throws Exception {
	try {
		return AccessController.doPrivileged(
			new PrivilegedExceptionAction<T>() {
				public T run() throws Exception {
					Thread t = Thread.currentThread();
					ClassLoader cl = t.getContextClassLoader();
					if (ccl == cl) {
						return task.call();
					} else {
						t.setContextClassLoader(ccl);
						try {
							return task.call();
						} finally {
							t.setContextClassLoader(cl);
						}
					}
				}
			}, acc);
	} catch (PrivilegedActionException e) {
		throw e.getException();
	}
}

在call()方法中同样是通过调用AccessController类的本地方法doPrivileged，传递PrivilegedExceptionAction接口的实例对象和AccessControlContext类的对象实例。

具体执行逻辑为：在PrivilegedExceptionAction对象的run()方法中获取当前线程的ContextClassLoader对象，如果在构造方法中获取的ClassLoader对象与此处的ContextClassLoader对象是同一个对象（不止对象实例相同，而且内存地址也相同），则直接调用Callable对象的call()方法返回结果。否则，将PrivilegedExceptionAction对象的run()方法中的当前线程的ContextClassLoader设置为在构造方法中获取的类加载器对象，接下来，再调用Callable对象的call()方法返回结果。最终将当前线程的ContextClassLoader重置为之前的ContextClassLoader。

  • RunnableAdapter

RunnableAdapter类比较简单，给定运行的任务和结果，运行给定的任务并返回给定的结果，源代码如下所示。

/**
 * A callable that runs given task and returns given result
 */
static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
	final Runnable task;
	final T result;
	RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
		this.task = task;
		this.result = result;
	}
	public T call() {
		task.run();
		return result;
	}
}
  • TaskCallable

TaskCallable类是javafx.concurrent.Task类的静态内部类，TaskCallable类主要是实现了Callable接口并且被定义为FutureTask的类，并且在这个类中允许我们拦截call()方法来更新task任务的状态。源代码如下所示。

private static final class TaskCallable<V> implements Callable<V> {

	private Task<V> task;
	private TaskCallable() { }

	@Override 
	public V call() throws Exception {
		task.started = true;
		task.runLater(() -> {
			task.setState(State.SCHEDULED);
			task.setState(State.RUNNING);
		});
		try {
			final V result = task.call();
			if (!task.isCancelled()) {
				task.runLater(() -> {
					task.updateValue(result);
					task.setState(State.SUCCEEDED);
				});
				return result;
			} else {
				return null;
			}
		} catch (final Throwable th) {
			task.runLater(() -> {
				task._setException(th);
				task.setState(State.FAILED);
			});
			if (th instanceof Exception) {
				throw (Exception) th;
			} else {
				throw new Exception(th);
			}
		}
	}
}

从TaskCallable类的源代码可以看出，只定义了一个Task类型的成员变量。下面主要分析TaskCallable类的call()方法。

当程序的执行进入到call()方法时，首先将task对象的started属性设置为true，表示任务已经开始，并且将任务的状态依次设置为State.SCHEDULED和State.RUNNING，依次触发任务的调度事件和运行事件。如下所示。

task.started = true;
task.runLater(() -> {
	task.setState(State.SCHEDULED);
	task.setState(State.RUNNING);
});

接下来，在try代码块中执行Task对象的call()方法，返回泛型对象。如果任务没有被取消，则更新任务的缓存，将调用call()方法返回的泛型对象绑定到Task对象中的ObjectProperty<V>对象中，其中，ObjectProperty<V>在Task类中的定义如下。

private final ObjectProperty<V> value = new SimpleObjectProperty<>(this, "value");

接下来，将任务的状态设置为成功状态。如下所示。

try {
	final V result = task.call();
	if (!task.isCancelled()) {
		task.runLater(() -> {
			task.updateValue(result);
			task.setState(State.SUCCEEDED);
		});
		return result;
	} else {
		return null;
	}
}

如果程序抛出了异常或者错误，会进入catch()代码块，设置Task对象的Exception信息并将状态设置为State.FAILED，也就是将任务标记为失败。接下来，判断异常或错误的类型，如果是Exception类型的异常，则直接强转为Exception类型的异常并抛出。否则，将异常或者错误封装为Exception对象并抛出，如下所示。

catch (final Throwable th) {
	task.runLater(() -> {
		task._setException(th);
		task.setState(State.FAILED);
	});
	if (th instanceof Exception) {
		throw (Exception) th;
	} else {
		throw new Exception(th);
	}
}
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Java JDK JVM 任务调度 多线程
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