美团一面：Thread、Runnable、Callable、Future ... 的关系？

JavaGuide

Thread、Runnable、Callable、Future、FutureTask，你能详细讲出他们的内部关系么？这也是面试经常问到的问题。

1. Thread 和 Runnable

1.1 Thread

我们先看一下 Thread 最简单的使用姿势：

public class MyThread extends Thread {
    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }
    @Override
    public void run() {
        String name = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println(name + "已经运行");

    }
    public static void main(String[] args) {
        new MyThread("线程一").start();
    }
}

线程包含 4 个状态：创建 -> 就绪 -> 运行 -> 结束。

当执行 start() 后，线程进入就绪状态，当对应的线程抢占到 cpu 调度资源之后，进入运行状态，此时调用的是 run 方法，执行完毕之后就结束了。

1.2 Runnable

我们看一下 Runnable 最简单的使用姿势：

public class MyTask implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        String name = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println(name + "已经运行");
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new MyTask(),"线程二").start();
    }
}

这里 MyTask 就是一个 Runnable，实现了 run() 方法，作为 Thread() 的入参。

基本所有同学都知道这样使用，但是你们知道原理么？

1.3 Thread 和 Runnable 的关系

我们看一下 Runnable 的接口定义：

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();
}

英文翻译大致如下：当一个对象继承并实现了 run() 方法，当线程 start() 后，会在该线程中单独执行该对象的 run() 方法。

这段翻译，基本就告诉了 Runnable 和 Thread 的关系：

MyTask 继承 Runnable，并实现了 run() 方法；
Thread 初始化，将 MyTask 作为自己的成员变量；
Thread 执行 run() 方法，线程处于“就绪”状态；
等待 CPU 调度，执行 Thread 的 run() 方法，但是 run() 的内部实现，其实是执行的 MyTask.run() 方法，线程处于“运行”状态。

这里面的第2、4步，需要对照着源码看看。

在 Thread 初始化时，MyTask 作为入参 target，最后赋值给 Thread.target：

当执行 Thread.run() 时，其实是执行的 target.run()，即 MyTask.run()，这个是典型的策略模式：

2. Callable 、Future 和 FutureTask

先看一下它们的整体关系图谱：

我刚开始看到这幅图，感觉 Java 真是麻烦，已经有了 Thread 和 Runnable 这两种创建线程的方式，为啥又搞这 3 个东西呢？

其实对于 Thread 和 Runable，其 run() 都是无返回值的，并且无法抛出异常，所以当你需要返回多线程的数据，就需要借助 Callable 和 Future。

2.1 Callable

Callable 是一个接口，里面有个 V call() 方法，这个 V 就是我们的返回值类型：

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;
}

我们一般会用匿名类的方式使用 Callable，call() 中是具体的业务逻辑：

Callable<String> callable = new Callable<String>() {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        // 执行业务逻辑 ...
        return "this is Callable is running";
    }
};

这里抛出一个问题，这个 callable.call() 和 Thread.run() 是什么关系呢？

2.2 FutureTask

通过关系图谱，FutureTask 继承了 RunnableFuture，RunnableFuture 继承了 Runnable 和 Future：

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

所以，FutureTask 也是个 Runnable ！！！

这里就有点意思了，既然 FutureTask 是个 Runnable，肯定就需要实现 FutureTask.run() 方法，那么 FutureTask 也可以作为 Thread 的初始化入参，使用姿势如下：

new Thread(FutureTask对象).start();

所以当执行 Thread.run() 时，其实是执行的 FutureTask.run()，这个是我们破解的第一层。

下面我们再破解 FutureTask.run() 和 Callable.call() 的关系。

2.3 Callable 和 FutureTask 的关系

FutureTask 初始化时，Callable 必须作为 FutureTask 的初始化入参：

当执行 FutureTask.run() 时，其实执行的是 Callable.call()：

所以，这里又是一个典型的策略模式！！！

现在我们应该可以很清楚知道 Thread 、Runnable、FutureTask 和 Callable 的关系：

Thread.run() 执行的是 Runnable.run()；
FutureTask 继承了 Runnable，并实现了 FutureTask.run()；
FutureTask.run() 执行的是 Callable.run()；
依次传递，最后 Thread.run()，其实是执行的 Callable.run()。

所以整个设计方法，其实就是 2 个策略模式，Thread 和 Runnable 是一个策略模式，FutureTask 和 Callable 又是一个策略模式，最后通过 Runnable 和 FutureTask 的继承关系，将这 2 个策略模式组合在一起。

嗯嗯。。。我们是不是把 Future 给忘了~~

2.4 Future

为什么要有 Future 呢？我再问一个问题，大家可能就知道了。

我们通过 FutureTask，借助 Thread 执行线程后，结果数据我们怎么获取到呢？这里就需要借助到 Future。

我们看一下 Future 接口：

public interface Future<V> {
    // 取消任务，如果任务正在运行的，mayInterruptIfRunning为true时，表明这个任务会被打断的，并返回true；
    // 为false时，会等待这个任务执行完，返回true；若任务还没执行，取消任务后返回true，如任务执行完，返回false
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    // 判断任务是否被取消了,正常执行完不算被取消
    boolean isCancelled();
    // 判断任务是否已经执行完成，任务取消或发生异常也算是完成，返回true
    boolean isDone();
    // 获取任务返回结果，如果任务没有执行完成则等待完成将结果返回，如果获取的过程中发生异常就抛出异常，
    // 比如中断就会抛出InterruptedException异常等异常
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    // 在规定的时间如果没有返回结果就会抛出TimeoutException异常
    V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

对于 FutureTask，Callable 就是他的任务，而 FutureTask 内部维护了一个任务状态，所有的状态都是围绕这个任务来进行的，随着任务的进行，状态也在不断的更新。

FutureTask 继承了 Future，实现对任务的取消、数据获取、任务状态判断等功能。

比如我们经常会调用 get() 方法获取数据，如果任务没有执行完成，会将当前线程放入阻塞队列等待，当任务执行完后，会唤醒阻塞队列中的线程。

3. 具体实例

private static List<String> processByMultiThread(Integer batchSize) throws ExecutionException, InterruptedException {
    List<String> output = new ArrayList<>();

    // 获取分批数据
    List<List<Integer>> batchProcessData = getProcessData(batchSize);

    // 启动线程
    List<FutureTask<List<String>>> futureTaskList = new ArrayList<>();
    for (List<Integer> processData : batchProcessData) {
        Callable<List<String>> callable = () -> processOneThread(processData);
        FutureTask<List<String>> futureTask = new FutureTask<>(callable);
        new Thread(futureTask).start();  // 启动线程
        futureTaskList.add(futureTask);
    }

    // 获取线程返回的数据
    for (FutureTask futureTask : futureTaskList) {
        List<String> processData = (List<String>) futureTask.get();
        output.addAll(processData);
    }
    return output;
}

这个示例很简单：

先将数据按照 batchSize 分成 N 批；
启动 N 个线程，去执行任务；
通过 futureTask.get() 获取每个线程数据，并汇总输出。

这个示例其实不太适合线上的场景，因为每次调用都会初始化线程，如果调用过多，内存可能会被撑爆，需要借助线程池。

完整的示例代码，以及线程池使用姿势，详见github：https://github.com/lml200701158/java-study/blob/master/src/main/java/com/java/parallel/share/MultiThreadProcess.java

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