多线程不得不聊的Future类

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本文转载自微信公众号「三太子敖丙」，作者三太子敖丙 。转载本文请联系三太子敖丙公众号。

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。

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：

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：

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：

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：

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。