Callable接口和FutureTask实现类，是JUC(Java Util Concurrent)包中很重要的两个技术实现，它们使获取多线程运行结果成为可能。它们底层的实现，就是基于接口回调技术。接口回调，许多程序员都耳熟能详，这种技术被广泛应用于异步模块的开发中。它的实现原理并不复杂，但是对初学者来说却并不友好，其中的一个原因是它的使用场景和处理手段，对习惯了单线程开发的初学者来说有点绕。而各种文章或书籍，在解释这一个问题的时候，往往忽视了使用场景，而举一些小明坐车、A和B等等的例子，初学者看完之后往往更迷糊。
本文立足于此，就从多线程中线程结果获取这一需求场景出发，逐步说明接口回调及其在JUC中的应用。
需要了解Java多线程的底层运行机制，可以看这一篇：基于JVM原理、JMM模型和CPU缓存模型深入理解Java并发编程
线程结果获取
习惯了单线程开发的程序员，在异步编程中最难理解的一点，就是如何从线程运行结果返回信息，因为run和start方法本身是没有返回值的。一个基本的方法是，使用一个变量暂存运行结果，另外提供一个公共方法来返回这个变量。实现代码如下：
1 /* 2 * 设计可以返回运行结果的线程 3 * 定义一个线程读取文件内容, 使用字符串存取结果并返回主线程 4 */ 5 public class ReturnDigestTest extends Thread{ 6 //定义文件名 7 private String fileName; 8 //定义一个字符串对象result, 用于存取线程执行结果 9 private String result;10 11 public ReturnDigestTest(String fileName) {12 this.fileName = fileName;13 }14 //run方法中读取本目录下文件, 并存储至result15 @Override16 public void run() {17 try (FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName)){18 byte[] buffer = new byte[1024];19 int hasRead = 0;20 while ((hasRead = fis.read(buffer)) > 0) {21 result = new String(buffer, 0, hasRead);22 }23 } catch (IOException e) {24 e.printStackTrace();25 }
26 }27 //定义返回result结果的方法28 public String getResult() {29 return result;30 }31 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {32 //测试, 在子线程中执行读取文件, 主线程返回33 ReturnDigestTest returnDigestTest = new ReturnDigestTest("test.txt");34 returnDigestTest.start();35 //以下结果返回null. 因为getResult方法执行的时候, 子线程可能还没结束36 System.out.println(returnDigestTest.getResult());37 }38 }
运行结果会输出一个null，原因在于读取文件的线程需要执行时间，所以很可能到主线程调用getResult方法的时候，子线程还没结束，结果就为null了。
如果在上面代码第35行，增加TimeUnit.SECONDS.sleep(5); 使主线程休眠5秒钟，你会发现结果正确返回。
竞态条件
在多线程环境下的实际开发场景中，更为常见的情形是，业务线程需要不断循环获取多个线程运行的返回结果。如果按照上述思路开发，那可能的结果为null，也可能导致程序挂起。上述方法是否成功，取决于竞态条件(Race Condition)，包括线程数、CPU数量、CPU运算速度、磁盘读取速度、JVM线程调度算法。
轮询
作为对上述方法的一个优化，可以让主线程定期询问返回状态，直到结果非空在进行获取，这就是轮询的思路。沿用上面的例子，只需要把36行修改如下即可：
1 //使用轮询, 判断线程返回结果是否为null2 while (true) {3 if (returnDigestTest.getResult() != null) {4 System.out.println(returnDigestTest.getResult());5 break;6 }7 }
但是，这个方法仍然不具有普适性，在有些JVM，主线程会占用几乎所有运行时间，而导致子线程无法完成工作。
即便不考虑这个因素，这个方法仍然不理想，它使得CPU运行时间被额外占用了。就好像一个搭公交的小孩，每一站都在问：请问到站了吗？因此，比较理想的方法，是让子线程在它完成任务后，通知主线程，这就是回调方法。
接口回调的应用
在异步编程中，回调的意思是，一个线程在执行中或完毕后，通知另外一个线程，返回一些消息。而接口回调，则是充分利用了Java多态的特征，使用接口作为回调方法的引用。
使用接口回调技术来优化上面的问题，可以设计一个实现Runnable接口的类，一个回调方法的接口，以及一个回调方法接口的实现类（main方法所在类），具体实现如下
实现Runnable的类
1 /* 2 * 使用接口回调, 实现线程执行结果的返回 3 */ 4 public class CallbackDigest implements Runnable{ 5 private String fileName; 6 private String result; 7 //定义回调方法接口的引用 8 private CallbackUserInterface cui; 9 public CallbackDigest(String fileName, CallbackUserInterface cui) {10 this.fileName = fileName;11 this.cui = cui;12 }13 @Override14 public void run() {15 try (FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName)){16 byte[] buffer = new byte[1024];17 int hasRead = 0;18 while((hasRead = fis.read(buffer)) > 0) {19 result = new String(buffer, 0, hasRead);20 }21 //通过回调接口引用, 调用了receiveResult方法, 可以在主线程中返回结果.22 //此处利用了多态23 cui.receiveResult(result, fileName);24 } catch (IOException e) {25 e.printStackTrace();26 }
27 }28 }
回调方法接口
1 public interface CallbackUserInterface {2 //只定义了回调方法, 传入一个待读取的文件名参数, 和返回结果3 public void receiveResult(String result, String fileName);4 }回调方法接口实现类
1 public class CallbackTest implements CallbackUserInterface { 2 //实现回调方法 3 @Override 4 public void receiveResult(String result, String fileName) { 5 System.out.println("文件" + fileName + "的内容是: \n" + result); 6 } 7 8 public static void main(String[] args) { 9 //新建回调接口引用, 指向实现类的对象10 CallbackUserInterface test = new CallbackTest();11 new Thread(new CallbackDigest("test.txt", test)).start();12 }13 }
接口回调的技术主要有4个关键点：
1. 发出信息的线程类：定义回调方法接口的引用，在构造方法中初始化。
2. 发出信息的线程类：使用回调方法接口的引用， 来调用回调方法。
3. 收取信息的线程类：实现回调接口，新建回调接口的引用，指向该类的对象。
4. 发出信息的线程类：新建线程类对象是，传入3中新建的实现类对象。
Callable和FutureTask的使用
Callable的底层实现类似于一个回调接口，而FutureTask类似于本例子中读取文件内容的线程实现类。因为FutureTask实现了Runnable接口，所以它的实现类是可以多线程的，而内部就是调用了Callable接口实现类的回调方法，从而实现线程结果的返回机制。demo代码如下：
1 public class TestCallable implements Callable<Integer>{ 2 //实现Callable并重写call方法作为线程执行体, 并设置返回值1 3 @Override 4 public Integer call() throws Exception { 5 System.out.println("Thread is running..."); 6 Thread.sleep(3000); 7 return 1; 8 } 9 10 public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {11 //创建Callable实现类的对象12 TestCallable tc = new TestCallable();13 //创建FutureTask类的对象14 FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(tc);15 //把FutureTask实现类对象作为target,通过Thread类对象启动线程16 new Thread(task).start();
17 System.out.println("do something else...");18 //通过get方法获取返回值19 Integer integer = task.get();
20 System.out.println("The thread running result is :" + integer);
21 }22 }
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