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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「三太子敖丙」，作者三太子敖丙 。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系三太子敖丙公眾號(hào)。
在高性能編程中，并發(fā)編程已經(jīng)成為了極為重要的一部分。在單核CPU性能已經(jīng)趨于極限時(shí)，我們只能通過多核來進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能，因此就催生了并發(fā)編程。
由于并發(fā)編程比串行編程更困難，也更容易出錯(cuò)，因此，我們就更需要借鑒一些前人優(yōu)秀的，成熟的設(shè)計(jì)模式，使得我們的設(shè)計(jì)更加健壯，更加完美。
而Future模式，正是其中使用最為廣泛，也是極為重要的一種設(shè)計(jì)模式。今天就跟阿丙了解一手Future模式!
生活中的Future模式
為了更快的了解Future模式，我們先來看一個(gè)生活中的例子。
場(chǎng)景1：
午飯時(shí)間到了，同學(xué)們要去吃飯了，小王下樓，走了20分鐘，來到了肯德基，點(diǎn)餐，排隊(duì)，吃飯一共花了20分鐘，又花了20分鐘走回公司繼續(xù)工作，合計(jì)1小時(shí)。
場(chǎng)景2
午飯時(shí)間到了，同學(xué)們要去吃飯了，小王點(diǎn)了個(gè)肯德基外賣，很快，它就拿到了一個(gè)訂單(雖然訂單不能當(dāng)飯吃，但是有了訂單，還怕吃不上飯嘛)。接著小王可以繼續(xù)干活，30分鐘后，外賣到了，接著小王花了10分鐘吃飯，接著又可以繼續(xù)工作了，成功的卷到了隔壁的小汪。
很明顯，在這2個(gè)場(chǎng)景中，小王的工作時(shí)間更加緊湊，特別是那些排隊(duì)的時(shí)間都可以讓外賣員去干，因此可以更加專注于自己的本職工作。聰明的你應(yīng)該也已經(jīng)體會(huì)到了，場(chǎng)景1就是典型的函數(shù)同步調(diào)用，而場(chǎng)景2是典型的異步調(diào)用。
而場(chǎng)景2的異步調(diào)用，還有一個(gè)特點(diǎn)，就是它擁有一個(gè)返回值，這個(gè)返回值就是我們的訂單。這個(gè)訂單很重要，憑借著這個(gè)訂單，我們才能夠取得當(dāng)前這個(gè)調(diào)用所對(duì)應(yīng)的結(jié)果。
這里的訂單就如同F(xiàn)uture模式中的Future，這是一個(gè)合約，一份承諾。雖然訂單不能吃，但是手握訂單，不怕沒吃的，雖然Future不是我們想要的結(jié)果，但是拿著Future就能在將來得到我們想要的結(jié)果。
因此，F(xiàn)uture模式很好的解決了那些需要返回值的異步調(diào)用。
Future模式中的主要角色
一個(gè)典型的Future模式由以下幾個(gè)部分組成：
- Main：系統(tǒng)啟動(dòng)，調(diào)用Client發(fā)出請(qǐng)求
- Client：返回Data對(duì)象，立即返回FutureData，并開啟ClientThread線程裝配RealData
- Data：返回?cái)?shù)據(jù)的接口
- FutureData：Future數(shù)據(jù)，構(gòu)造很快，但是是一個(gè)虛擬的數(shù)據(jù)，需要裝配RealData，好比一個(gè)訂單
- RealData：真實(shí)數(shù)據(jù)，其構(gòu)造是比較慢的，好比上面例子中的肯德基午餐。
它們之間的相互關(guān)系如下圖：
其中，值得注意是Data，RealData和FutureData。這是一組典型的代理模式，Data接口表示對(duì)外數(shù)據(jù)，RealData表示真實(shí)的數(shù)據(jù)，就好比午餐，獲得它的成本比較高，需要很多時(shí)間;相對(duì)的FutureData作為RealData的代理，類似于一個(gè)訂單/契約，通過FutureData，可以在將來獲得RealData。
因此，F(xiàn)uture模式本質(zhì)上是代理模式的一種實(shí)際應(yīng)用。
實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的Future模式
根據(jù)上面的設(shè)計(jì)，讓我們來實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的代理模式吧!
首先是Data接口，代表數(shù)據(jù)：
- public interface Data {
- public String getResult ();
- }
接著是FutureData，也是整個(gè)Future模式的核心：
- public class FutureData implements Data {
- // 內(nèi)部需要維護(hù)RealData
- protected RealData realdata = null;
- protected boolean isReady = false;
- public synchronized void setRealData(RealData realdata) {
- if (isReady) {
- return;
- }
- this.realdata = realdata;
- isReady = true;
- //RealData已經(jīng)被注入，通知getResult()
- notifyAll();
- }
- //會(huì)等待RealData構(gòu)造完成
- public synchronized String getResult() {
- while (!isReady) {
- try {
- //一直等待，直到RealData被注入
- wait();
- } catch (InterruptedException e) {
- }
- }
- //真正需要的數(shù)據(jù)從RealData獲取
- return realdata.result;
- }
- }
下面是RealData：
- public class RealData implements Data {
- protected final String result;
- public RealData(String para) {
- StringBuffer sb=new StringBuffer();
- //假設(shè)這里很慢很慢，構(gòu)造RealData不是一個(gè)容易的事
- result =sb.toString();
- }
- public String getResult() {
- return result;
- }
- }
然后從Client得到Data：
- public class Client {
- //這是一個(gè)異步方法，返回的Data接口是一個(gè)Future
- public Data request(final String queryStr) {
- final FutureData future = new FutureData();
- new Thread() {
- public void run() {
- // RealData的構(gòu)建很慢，所以在單獨(dú)的線程中進(jìn)行
- RealData realdata = new RealData(queryStr);
- //setRealData()的時(shí)候會(huì)notify()等待在這個(gè)future上的對(duì)象
- future.setRealData(realdata);
- }
- }.start();
- // FutureData會(huì)被立即返回，不會(huì)等待RealData被構(gòu)造完
- return future;
- }
- }
最后一個(gè)Main函數(shù)，把所有一切都串起來：
- public static void main(String[] args) {
- Client client = new Client();
- //這里會(huì)立即返回，因?yàn)榈玫降氖荈utureData而不是RealData
- Data data = client.request("name");
- System.out.println("請(qǐng)求完畢");
- try {
- //這里可以用一個(gè)sleep代替了對(duì)其他業(yè)務(wù)邏輯的處理
- //在處理這些業(yè)務(wù)邏輯的過程中，RealData被創(chuàng)建，從而充分利用了等待時(shí)間
- Thread.sleep(2000);
- } catch (InterruptedException e) {
- }
- //使用真實(shí)的數(shù)據(jù)，如果到這里數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，getResult()會(huì)等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完，再返回
- System.out.println("數(shù)據(jù) = " + data.getResult());
- }
這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的Future模式的實(shí)現(xiàn)，雖然簡(jiǎn)單，但是已經(jīng)包含了Future模式中最精髓的部分。對(duì)大家理解JDK內(nèi)部的Future對(duì)象，有著非常重要的作用。
Java中的Future模式
Future模式是如此常用，在JDK內(nèi)部已經(jīng)有了比較全面的實(shí)現(xiàn)和支持。下面，讓我們一起看看JDK內(nèi)部的Future實(shí)現(xiàn)：
首先，JDK內(nèi)部有一個(gè)Future接口，這就是類似前面提到的訂單，當(dāng)然了，作為一個(gè)完整的商業(yè)化產(chǎn)品，這里的Future的功能更加豐富了，除了get()方法來獲得真實(shí)數(shù)據(jù)以外，還提供一組輔助方法，比如：
- cancel()：如果等太久，你可以直接取消這個(gè)任務(wù)
- isCancelled()：任務(wù)是不是已經(jīng)取消了
- isDone()：任務(wù)是不是已經(jīng)完成了
- get()：有2個(gè)get()方法，不帶參數(shù)的表示無窮等待，或者你可以只等待給定時(shí)間
下面代碼演示了這個(gè)Future的使用方法：
- //異步操作 可以用一個(gè)線程池
- ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
- //執(zhí)行FutureTask，相當(dāng)于上例中的 client.request("name") 發(fā)送請(qǐng)求
- //在這里開啟線程進(jìn)行RealData的call()執(zhí)行
- Future
future = executor.submit(new RealData("name")); - System.out.println("請(qǐng)求完畢，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備中");
- try {
- //這里依然可以做額外的數(shù)據(jù)操作，這里使用sleep代替其他業(yè)務(wù)邏輯的處理
- Thread.sleep(2000);
- } catch (InterruptedException e) {
- }
- //如果此時(shí)call()方法沒有執(zhí)行完成，則依然會(huì)等待
- System.out.println("數(shù)據(jù) = " + future.get());
整個(gè)使用過程非常簡(jiǎn)單，下面我們來分析一下executor.submit()里面究竟發(fā)生了什么：
- public
Future submit(Callable task) { - if (task == null) throw new NullPointerException();
- // 根據(jù)Callable對(duì)象，創(chuàng)建一個(gè)RunnableFuture，這里其實(shí)就是FutureTask
- RunnableFuture
ftask = newTaskFor(task); - //將ftask推送到線程池
- //在新線程中執(zhí)行的，就是run()方法，在下面的代碼中有給出
- execute(ftask);
- //返回這個(gè)Future，將來通過這個(gè)Future就可以得到執(zhí)行的結(jié)果
- return ftask;
- }
- protected
RunnableFuture newTaskFor(Callable callable) { - return new FutureTask
(callable); - }
最關(guān)鍵的部分在下面，F(xiàn)utureTask作為一個(gè)線程單獨(dú)執(zhí)行時(shí)，會(huì)將結(jié)果保存到outcome中，并設(shè)置任務(wù)的狀態(tài),下面是FutureTask的run()方法：
從FutureTask中獲得結(jié)果的實(shí)現(xiàn)如下：
- public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
- int s = state;
- //如果沒有完成，就等待，回到用park()方法阻塞線程
- //同時(shí)，所有等待線程會(huì)在FutureTask的waiters字段中排隊(duì)等待
- if (s <= COMPLETING)
- s = awaitDone(false, 0L);
- return report(s);
- }
- private V report(int s) throws ExecutionException {
- //outcome里保存的就是最終的計(jì)算結(jié)果
- Object x = outcome;
- if (s == NORMAL)
- //正常完成，就返回outcome
- return (V)x;
- //如果沒有正常完成， 比如被用戶取消了，或者有異常了，就拋出異常
- if (s >= CANCELLED)
- throw new CancellationException();
- throw new ExecutionException((Throwable)x);
- }
Future模式的高階版本—— CompletableFuture
Future模式雖然好用，但也有一個(gè)問題，那就是將任務(wù)提交給線程后，調(diào)用線程并不知道這個(gè)任務(wù)什么時(shí)候執(zhí)行完，如果執(zhí)行調(diào)用get()方法或者isDone()方法判斷，可能會(huì)進(jìn)行不必要的等待，那么系統(tǒng)的吞吐量很難提高。
為了解決這個(gè)問題，JDK對(duì)Future模式又進(jìn)行了加強(qiáng)，創(chuàng)建了一個(gè)CompletableFuture，它可以理解為Future模式的升級(jí)版本，它最大的作用是提供了一個(gè)回調(diào)機(jī)制，可以在任務(wù)完成后，自動(dòng)回調(diào)一些后續(xù)的處理，這樣，整個(gè)程序可以把“結(jié)果等待”完全給移除了。
下面來看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：
在這個(gè)例子中，首先以getPrice()為基礎(chǔ)創(chuàng)建一個(gè)異步調(diào)用，接著，使用thenAccept()方法，設(shè)置了一個(gè)后續(xù)的操作，也就是當(dāng)getPrice()執(zhí)行完成后的后續(xù)處理。
不難看到，CompletableFuture比一般的Future更具有實(shí)用性，因?yàn)樗梢栽贔uture執(zhí)行成功后，自動(dòng)回調(diào)進(jìn)行下一步的操作，因此整個(gè)程序不會(huì)有任何阻塞的地方(也就是說你不用去到處等待Future的執(zhí)行，而是讓Future執(zhí)行成功后，自動(dòng)來告訴你)。
以上面的代碼為例，CompletableFuture之所有會(huì)有那么神奇的功能，完全得益于AsyncSupply類(由上述代碼中的supplyAsync()方法創(chuàng)建)。
AsyncSupply在執(zhí)行時(shí)，如下所示：
- public void run() {
- CompletableFuture
d; Supplier f; - if ((d = dep) != null && (f = fn) != null) {
- dep = null; fn = null;
- if (d.result == null) {
- try {
- //這里就是你要執(zhí)行的異步方法
- //結(jié)果會(huì)被保存下來，放到d.result字段中
- d.completeValue(f.get());
- } catch (Throwable ex) {
- d.completeThrowable(ex);
- }
- }
- //執(zhí)行成功了，進(jìn)行后續(xù)處理，在這個(gè)后續(xù)處理中，就會(huì)調(diào)用thenAccept()中的消費(fèi)者
- //這里就相當(dāng)于Future完成后的通知
- d.postComplete();
- }
- }
繼續(xù)看d.postComplete()，這里會(huì)調(diào)用后續(xù)一系列操作
- final void postComplete() {
- //省略部分代碼，重點(diǎn)在tryFire()里
- //在tryFire()里，真正觸發(fā)了后續(xù)的調(diào)用，也就是thenAccept()中的部分
- f = (d = h.tryFire(NESTED)) == null ? this : d;
- }
- }
- }
絮叨
今天，我們主要介紹Future模式，我們從一個(gè)最簡(jiǎn)單的Future模式開始，逐步深入，先后介紹了JDK內(nèi)部的Future模式實(shí)現(xiàn)，以及對(duì)Future模式的進(jìn)化版本CompletableFuture做了簡(jiǎn)單的介紹。對(duì)
于多線程開發(fā)而言，F(xiàn)uture模式的應(yīng)用極其廣泛，可以說這個(gè)模式已經(jīng)成為了異步開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施。
本文名稱：多線程不得不聊的Future類
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