JavaにおけるRunnableとCallableの違いは、多くの場合面接で頻出する質問です。この記事では、これらのインターフェースの違いについて詳しく説明し、さらにその実装であるThreadやFutureTaskの内部動作を深掘りします。
RunnableとCallableの基本的な違い
まず、それぞれのインターフェースを見てみましょう。
public interface Runnable {
void run();
}
public interface Callable<T> {
T call() throws Exception;
}
ここで重要な点は次の通りです：
- Runnableのrunメソッドは戻り値を持たず、例外をスローすることはできません。
- 一方、Callableのcallメソッドは戻り値を持つことができ、例外をスローすることも可能です。
Threadとの関連
Threadクラスを使用することで、以下のことが可能です：
- 新しいスレッドを作成し、Runnableを実行することで非同期処理を実現できます。
- CallableはFutureTask（Runnableの実装クラス）にラップされ、Threadによって呼び出すことができます。この場合、FutureTask.get()メソッドを使用してCallableの結果を取得できますが、これはブロッキング呼び出しとなります。
FutureTaskとは
FutureTaskはRunnableとFutureを両方実装しており、非同期タスクの結果を取得またはキャンセルするために使用されます。
FutureTaskの構造
FutureTaskにはCallable型のメンバー変数が含まれており、これがタスク本体となります。以下はFutureTaskの主なコンストラクタです。
public FutureTask(Callable<? extends V> callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
this.callable = callable;
this.state = NEW;
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
this.callable = Executors.callable(runnable, result);
this.state = NEW;
}
2番目のコンストラクタでは、提供されたRunnableをCallableに変換しています。
RunnableからCallableへの変換
Executorsクラスの内部では、次のようにRunnableをCallableに変換しています。
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;
}
}
これにより、RunnableもFutureTask経由で結果を返せるようになります。
FutureTaskの状態遷移
FutureTaskの内部状態は以下の通りです：
private volatile int state;
private static final int NEW = 0;
private static final int COMPLETING = 1;
private static final int NORMAL = 2;
private static final int EXCEPTIONAL = 3;
private static final int CANCELLED = 4;
private static final int INTERRUPTING = 5;
private static final int INTERRUPTED = 6;
初期状態はNEWであり、タスクが完了するとNORMAL、エラーが発生した場合はEXCEPTIONALに変わります。
スレッド安全性
FutureTaskはUNSAFEクラスを使用してCAS操作を行い、スレッドセーフな実装を提供します。
デモコード
以下はFutureTaskを使用した簡単な例です。
Callable<Integer> callable = () -> {
Thread.sleep(1000);
return 42;
};
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
Thread thread = new Thread(futureTask);
thread.start();
try {
Integer result = futureTask.get(); // ブロッキング
System.out.println("Result: " + result);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
FutureTaskのrunメソッド
runメソッドは、スレッドが開始された際に呼び出されます。以下はその主要部分です。
if (state != NEW || !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread())) {
return;
}
try {
Callable<V> c = callable;
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
setException(ex);
}
if (ran)
set(result);
}
} finally {
runner = null;
int s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
タスクが正常に終了すればset(result)が呼び出され、結果が格納されます。
getメソッド
getメソッドは、タスクが完了するまでブロックします。
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}
awaitDoneメソッド内でスレッドが待機状態になります。
awaitDoneメソッド
このメソッドは、タスクが完了するかタイムアウトするまで待ちます。
private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException {
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
WaitNode q = null;
boolean queued = false;
for (;;) {
if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}
int s = state;
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
} else if (s == COMPLETING)
Thread.yield();
else if (q == null)
q = new WaitNode();
else if (!queued)
queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q.next = waiters, q);
else if (timed) {
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
removeWaiter(q);
return state;
}
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
} else
LockSupport.park(this);
}
}
このメソッドは、タスクが完了するまでスレッドを待機させます。
まとめ
FutureTaskは非同期処理の結果を管理するための強力なツールです。その仕組みを理解することで、RunnableとCallableの違いがより明確になります。