JAVA Future类详解

野性酷女 2022-11-18 02:05 45阅读 0赞

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### 前言 ###

在高性能编程中，并发编程已经成为了极为重要的一部分。在单核CPU性能已经趋于极限时，我们只能通过多核来进一步提升系统的性能，因此就催生了并发编程。

由于并发编程比串行编程更困难，也更容易出错，因此，我们就更需要借鉴一些前人优秀的，成熟的设计模式，使得我们的设计更加健壮，更加完美。

而Future模式，正是其中使用最为广泛，也是极为重要的一种设计模式。今天就跟阿丙了解一手Future模式！

## 生活中的Future模式 ##

为了更快的了解Future模式，我们先来看一个生活中的例子。

### 场景1： ###

午饭时间到了，同学们要去吃饭了，小王下楼，走了20分钟，来到了肯德基，点餐，排队，吃饭一共花了20分钟，又花了20分钟走回公司继续工作，合计1小时。

### 场景2 ###

午饭时间到了，同学们要去吃饭了，小王点了个肯德基外卖，很快，它就拿到了一个订单（虽然订单不能当饭吃，但是有了订单，还怕吃不上饭嘛）。接着小王可以继续干活，30分钟后，外卖到了，接着小王花了10分钟吃饭，接着又可以继续工作了，成功的卷到了隔壁的小汪。

![2c873c806244040b3bb14f4a54ab8f3e.png][]

很明显，在这2个场景中，小王的工作时间更加紧凑，特别是那些排队的时间都可以让外卖员去干，因此可以更加专注于自己的本职工作。聪明的你应该也已经体会到了，场景1就是典型的函数同步调用，而场景2是典型的异步调用。

而场景2的异步调用，还有一个特点，就是它拥有一个返回值，这个返回值就是我们的订单。这个订单很重要，凭借着这个订单，我们才能够取得当前这个调用所对应的结果。

这里的订单就如同Future模式中的Future，这是一个合约，一份承诺。虽然订单不能吃，但是手握订单，不怕没吃的，虽然Future不是我们想要的结果，但是拿着Future就能在将来得到我们想要的结果。

因此，Future模式很好的解决了那些需要返回值的异步调用。

### Future模式中的主要角色 ###

一个典型的Future模式由以下几个部分组成：

*  Main：系统启动，调用Client发出请求
 *  Client：返回Data对象，立即返回FutureData，并开启ClientThread线程装配RealData
 *  Data：返回数据的接口
 *  FutureData：Future数据，构造很快，但是是一个虚拟的数据，需要装配RealData，好比一个订单
 *  RealData：真实数据，其构造是比较慢的，好比上面例子中的肯德基午餐。

它们之间的相互关系如下图：

![238a60e4d371bf4128dfbd6626e1902a.png][]

其中，值得注意是Data，RealData和FutureData。这是一组典型的代理模式，Data接口表示对外数据，RealData表示真实的数据，就好比午餐，获得它的成本比较高，需要很多时间；相对的FutureData作为RealData的代理，类似于一个订单/契约，通过FutureData，可以在将来获得RealData。

因此，Future模式本质上是代理模式的一种实际应用。

### 实现一个简单的Future模式 ###

根据上面的设计，让我们来实现一个简单的代理模式吧！

首先是Data接口，代表数据：

public interface Data { 
        public String getResult ();
    }

接着是FutureData，也是整个Future模式的核心：

public class FutureData implements Data { 
        // 内部需要维护RealData
        protected RealData realdata = null;          
        protected boolean isReady = false;
        public synchronized void setRealData(RealData realdata) { 
            if (isReady) {  
                return;
            }
            this.realdata = realdata;
            isReady = true;
            //RealData已经被注入，通知getResult()
            notifyAll();                            			
        }
        //会等待RealData构造完成
        public synchronized String getResult() {         	
            while (!isReady) { 
                try { 
                    //一直等待，直到RealData被注入
                    wait();                        			
                } catch (InterruptedException e) { 
                }
            }
            //真正需要的数据从RealData获取
            return realdata.result;                    		
        }
    }

下面是RealData：

public class RealData implements Data { 
        protected final String result;
        public RealData(String para) { 
            StringBuffer sb=new StringBuffer();
            //假设这里很慢很慢，构造RealData不是一个容易的事
            result =sb.toString();
        }
        public String getResult() { 
            return result;
        }
    }

然后从Client得到Data：

public class Client { 
        //这是一个异步方法，返回的Data接口是一个Future
        public Data request(final String queryStr) { 
            final FutureData future = new FutureData();
            new Thread() {                                       
                public void run() {                     	
                    // RealData的构建很慢，所以在单独的线程中进行
                    RealData realdata = new RealData(queryStr);
                    //setRealData()的时候会notify()等待在这个future上的对象
                    future.setRealData(realdata);
                }                                               
            }.start();
            // FutureData会被立即返回，不会等待RealData被构造完
            return future;                        		
        }
    }

最后一个Main函数，把所有一切都串起来：

public static void main(String[] args) { 
        Client client = new Client();
        //这里会立即返回，因为得到的是FutureData而不是RealData
        Data data = client.request("name");
        System.out.println("请求完毕");
        try { 
            //这里可以用一个sleep代替了对其他业务逻辑的处理
            //在处理这些业务逻辑的过程中，RealData被创建，从而充分利用了等待时间
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) { 
        }
        //使用真实的数据，如果到这里数据还没有准备好，getResult()会等待数据准备完，再返回
        System.out.println("数据 = " + data.getResult());
    }

这是一个最简单的Future模式的实现，虽然简单，但是已经包含了Future模式中最精髓的部分。对大家理解JDK内部的Future对象，有着非常重要的作用。

## Java中的Future模式 ##

Future模式是如此常用，在JDK内部已经有了比较全面的实现和支持。下面，让我们一起看看JDK内部的Future实现：

![10bcdd6f46cbf67baf9f18919f514898.png][]

首先，JDK内部有一个Future接口，这就是类似前面提到的订单，当然了，作为一个完整的商业化产品，这里的Future的功能更加丰富了，除了get()方法来获得真实数据以外，还提供一组辅助方法，比如：

*  cancel()：如果等太久，你可以直接取消这个任务
 *  isCancelled()：任务是不是已经取消了
 *  isDone()：任务是不是已经完成了
 *  get()：有2个get()方法，不带参数的表示无穷等待，或者你可以只等待给定时间

下面代码演示了这个Future的使用方法：

//异步操作 可以用一个线程池
            ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
            //执行FutureTask，相当于上例中的 client.request("name") 发送请求
            //在这里开启线程进行RealData的call()执行
            Future<String> future = executor.submit(new RealData("name"));
            System.out.println("请求完毕，数据准备中");
            try { 
                //这里依然可以做额外的数据操作，这里使用sleep代替其他业务逻辑的处理
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) { 
            }
            //如果此时call()方法没有执行完成，则依然会等待
            System.out.println("数据 = " + future.get());

整个使用过程非常简单，下面我们来分析一下executor.submit()里面究竟发生了什么：

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) { 
            if (task == null) throw new NullPointerException();
            // 根据Callable对象，创建一个RunnableFuture，这里其实就是FutureTask
            RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
            //将ftask推送到线程池
            //在新线程中执行的，就是run()方法，在下面的代码中有给出
            execute(ftask);
            //返回这个Future，将来通过这个Future就可以得到执行的结果
            return ftask;
        }
        protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) { 
            return new FutureTask<T>(callable);
        }

最关键的部分在下面，FutureTask作为一个线程单独执行时，会将结果保存到outcome中，并设置任务的状态,下面是FutureTask的run()方法：

![03865fbc3562d38d25994c67d02ef610.png][]

从FutureTask中获得结果的实现如下：

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException { 
            int s = state;
            //如果没有完成，就等待，回到用park()方法阻塞线程
            //同时，所有等待线程会在FutureTask的waiters字段中排队等待
            if (s <= COMPLETING)
                s = awaitDone(false, 0L);
            return report(s);
        }
        private V report(int s) throws ExecutionException { 
            //outcome里保存的就是最终的计算结果
            Object x = outcome;
            if (s == NORMAL)
                //正常完成，就返回outcome
                return (V)x;
            //如果没有正常完成， 比如被用户取消了，或者有异常了，就抛出异常
            if (s >= CANCELLED)
                throw new CancellationException();
            throw new ExecutionException((Throwable)x);
        }

### Future模式的高阶版本—— CompletableFuture ###

Future模式虽然好用，但也有一个问题，那就是将任务提交给线程后，调用线程并不知道这个任务什么时候执行完，如果执行调用get()方法或者isDone()方法判断，可能会进行不必要的等待，那么系统的吞吐量很难提高。

为了解决这个问题，JDK对Future模式又进行了加强，创建了一个CompletableFuture，它可以理解为Future模式的升级版本，它最大的作用是提供了一个回调机制，可以在任务完成后，自动回调一些后续的处理，这样，整个程序可以把“结果等待”完全给移除了。

下面来看一个简单的例子：

![00af9b5562af553c5bae7a9d562ea6dd.png][]

在这个例子中，首先以getPrice()为基础创建一个异步调用，接着，使用thenAccept()方法，设置了一个后续的操作，也就是当getPrice()执行完成后的后续处理。

不难看到，CompletableFuture比一般的Future更具有实用性，因为它可以在Future执行成功后，自动回调进行下一步的操作，因此整个程序不会有任何阻塞的地方（也就是说你不用去到处等待Future的执行，而是让Future执行成功后，自动来告诉你）。

以上面的代码为例，CompletableFuture之所有会有那么神奇的功能，完全得益于AsyncSupply类（由上述代码中的supplyAsync()方法创建）。

AsyncSupply在执行时，如下所示：

public void run() { 
                CompletableFuture<T> d; Supplier<T> f;
                if ((d = dep) != null && (f = fn) != null) { 
                    dep = null; fn = null;
                    if (d.result == null) { 
                        try { 
                            //这里就是你要执行的异步方法
                            //结果会被保存下来，放到d.result字段中
                            d.completeValue(f.get());
                        } catch (Throwable ex) { 
                            d.completeThrowable(ex);
                        }
                    }
                    //执行成功了，进行后续处理，在这个后续处理中，就会调用thenAccept()中的消费者
                    //这里就相当于Future完成后的通知
                    d.postComplete();
                }
            }

继续看d.postComplete()，这里会调用后续一系列操作

final void postComplete() { 
                    //省略部分代码，重点在tryFire()里
                    //在tryFire()里，真正触发了后续的调用，也就是thenAccept()中的部分
                    f = (d = h.tryFire(NESTED)) == null ? this : d;
                }
            }
        }

## 絮叨 ##

今天，我们主要介绍Future模式，我们从一个最简单的Future模式开始，逐步深入，先后介绍了JDK内部的Future模式实现，以及对Future模式的进化版本CompletableFuture做了简单的介绍。对

于多线程开发而言，Future模式的应用极其广泛，可以说这个模式已经成为了异步开发的基础设施。

好啦如果想了解多线程的更多知识点可以关注我，查看历史文章，我也会持续更新的。

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