文章目錄

• 引言
• 生活中的例子
• • 場景1
  • 場景2
• Java中的Future
• • 如何獲取Future
  • Future的主要方法及使用
  • Future的核心源碼
• Future模式的高階版本—— CompletableFuture
• • 如何獲取CompletableFuture
  • CompletableFuture的主要方法及使用
• 小結(jié)

引言

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。并發(fā)編程可以總結(jié)為三個(gè)核心問題：分工、同步和互斥。編寫并發(fā)程序，首先要做的就是分工，所謂分工指的是如何高效地拆解任務(wù)并分配給線程。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。今天就跟少俠了解一手Future模式！

生活中的例子

場景1

小張喜歡沒事泡泡茶，每次都是洗水壺–>洗茶壺–>洗茶杯–>燒開水–>拿茶葉–>泡茶，如下圖，喝到茶大概得花上20分鐘。

場景2

但是小王不這么干，對于燒水泡茶這個(gè)程序，她采取的方案是下圖所示的這樣：用兩個(gè)線程T1和T2來完成燒水泡茶程序，T1負(fù)責(zé)洗水壺、燒開水、泡茶這三道工序，T2負(fù)責(zé)洗茶壺、洗茶杯、拿茶葉三道工序，其中T1在執(zhí)行泡茶這道工序時(shí)需要等待T2完成拿茶葉的工序。對于T1的這個(gè)等待動作，你應(yīng)該可以想出很多種辦法，例如Thread.join()、CountDownLatch，甚至阻塞隊(duì)列都可以解決，不過今天我們用Future特性來實(shí)現(xiàn)。

Java中的Future

如何獲取Future

// 提交Runnable任務(wù) Future submit(Runnable task);

這個(gè)方法的參數(shù)是一個(gè)Runnable接口，Runnable接口的run()方法是沒有返回值的，所以 submit(Runnable task) 這個(gè)方法返回的Future僅可以用來斷言任務(wù)已經(jīng)結(jié)束了，類似于Thread.join()。

// 提交Callable任務(wù)Future submit(Callable task);

這個(gè)方法的參數(shù)是一個(gè)Callable接口，它只有一個(gè)call()方法，并且這個(gè)方法是有返回值的，所以這個(gè)方法返回的Future對象可以通過調(diào)用其get()方法來獲取任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。

// 提交Runnable任務(wù)及結(jié)果引用 Future submit(Runnable task, T result);

這個(gè)方法很有意思，假設(shè)這個(gè)方法返回的Future對象是future，future.get()的返回值就是傳給submit()方法的參數(shù)result。這個(gè)方法該怎么用呢？下面這段示例代碼展示了它的經(jīng)典用法。需要你注意的是Runnable接口的實(shí)現(xiàn)類Task聲明了一個(gè)有參構(gòu)造函數(shù) Task(Result r) ，創(chuàng)建Task對象的時(shí)候傳入了result對象，這樣就能在類Task的run()方法中對result進(jìn)行各種操作了。result相當(dāng)于主線程和子線程之間的橋梁，通過它主子線程可以共享數(shù)據(jù)。

Future的主要方法及使用

獲取到Future之后，我們怎么來進(jìn)行使用呢，Java中提供了如下幾個(gè)核心方法：

// 取消任務(wù)boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);// 判斷任務(wù)是否已取消 boolean isCancelled();// 判斷任務(wù)是否已結(jié)束boolean isDone();// 獲得任務(wù)執(zhí)行結(jié)果get();// 獲得任務(wù)執(zhí)行結(jié)果，支持超時(shí)get(long timeout, TimeUnit unit);

那么如何靈活的使用這幾個(gè)方法呢？下面的示例代碼就是用這一節(jié)提到的Future特性來實(shí)現(xiàn)的。首先，我們創(chuàng)建了兩個(gè)Future——task1和task2，task1完成洗水壺、燒開水、泡茶的任務(wù)，task2完成洗茶壺、洗茶杯、拿茶葉的任務(wù)；這里需要注意的是task1這個(gè)任務(wù)在執(zhí)行泡茶任務(wù)前，需要等待task2把茶葉拿來，所以task1內(nèi)部需要引用task2，并在執(zhí)行泡茶之前，調(diào)用task2的get()方法實(shí)現(xiàn)等待。

一次執(zhí)行結(jié)果：

thread13--->洗茶壺 thread14--->洗水壺 thread13--->洗茶杯 thread14--->燒開水 thread13--->拿茶葉 thread14--->泡茶 泡茶吧！來一杯大紅袍! elapsed: 16秒

Future的核心源碼

那么Future又是如何實(shí)現(xiàn)異步操作的呢，我們結(jié)合源碼來看一下。

由于Future是接口，這里我們主要看它的實(shí)現(xiàn)類FutureTask的實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵的部分在下面，FutureTask作為一個(gè)線程單獨(dú)執(zhí)行時(shí)，會將結(jié)果保存到Object類型的變量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：

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。

如何獲取CompletableFuture

public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable) public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor) public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier) public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

四個(gè)靜態(tài)方法用來為一段異步執(zhí)行的代碼創(chuàng)建CompletableFuture對象，方法的參數(shù)類型都是函數(shù)式接口，所以可以使用lambda表達(dá)式實(shí)現(xiàn)異步任務(wù)

• runAsync方法：它以Runnable函數(shù)式接口類型為參數(shù)，所以CompletableFuture的計(jì)算結(jié)果為空。

• supplyAsync方法以Supplier函數(shù)式接口類型為參數(shù)，CompletableFuture的計(jì)算結(jié)果類型為U。

說明：Async結(jié)尾的方法都是可以異步執(zhí)行的，如果指定了線程池，會在指定的線程池中執(zhí)行，如果沒有指定，默認(rèn)會在ForkJoinPool.commonPool()中執(zhí)行。

CompletableFuture的主要方法及使用

關(guān)于CompletableFuture，Java中提供了如下幾個(gè)核心方法：
1 變換結(jié)果
由于回調(diào)風(fēng)格的實(shí)現(xiàn)，我們不必因?yàn)榈却粋€(gè)計(jì)算完成而阻塞著調(diào)用線程，而是告訴CompletableFuture當(dāng)計(jì)算完成的時(shí)候請執(zhí)行某個(gè)Function。還可以串聯(lián)起來。
這些方法的輸入是上一個(gè)階段計(jì)算后的結(jié)果，返回值是經(jīng)過轉(zhuǎn)化后結(jié)果：

public <U> CompletionStage<U> thenApply(Function<? super T,? extends U> fn); public <U> CompletionStage<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn); public <U> CompletionStage<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn,Executor executor);

2 消費(fèi)結(jié)果
這些方法只是針對結(jié)果進(jìn)行消費(fèi)，入?yún)⑹荂onsumer，沒有返回值：

public CompletionStage<Void> thenAccept(Consumer<? super T> action); public CompletionStage<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action); public CompletionStage<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action,Executor executor);

3 計(jì)算結(jié)果完成時(shí)的處理
當(dāng)CompletableFuture的計(jì)算結(jié)果完成，或者拋出異常的時(shí)候，可以執(zhí)行特定的Action。主要是下面的方法：

public CompletableFuture<T> whenComplete(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action) public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action) public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action, Executor executor) public CompletableFuture<T> exceptionally(Function<Throwable,? extends T> fn)

4 結(jié)合兩個(gè)CompletionStage的結(jié)果，進(jìn)行轉(zhuǎn)化后返回
需要上一階段的返回值，并且other代表的CompletionStage也要返回值之后，把這兩個(gè)返回值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后返回指定類型的值。

public <U,V> CompletionStage<V> thenCombine(CompletionStage<? extends U> other,BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn); public <U,V> CompletionStage<V> thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other,BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn); public <U,V> CompletionStage<V> thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other,BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn,Executor executor);

為了和大家一起體會CompletableFuture異步編程的優(yōu)勢，這里我們用CompletableFuture重新實(shí)現(xiàn)前面曾提及的燒水泡茶程序。首先還是需要先完成分工方案，在下面的程序中，我們分了3個(gè)任務(wù)：任務(wù)1負(fù)責(zé)洗水壺、燒開水，任務(wù)2負(fù)責(zé)洗茶壺、洗茶杯和拿茶葉，任務(wù)3負(fù)責(zé)泡茶。其中任務(wù)3要等待任務(wù)1和任務(wù)2都完成后才能開始。這個(gè)分工如下圖所示。

下面是具體代碼實(shí)現(xiàn)，你先略過runAsync()、supplyAsync()、thenCombine()這些不太熟悉的方法，從大局上看，你會發(fā)現(xiàn)：

• 無需手工維護(hù)線程，沒有繁瑣的手工維護(hù)線程的工作，給任務(wù)分配線程的工作也不需要我們關(guān)注；
• 語義更清晰，例如 f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 能夠清晰地表述“任務(wù)3要等待任務(wù)1和任務(wù)2都完成后才能開始”；
• 代碼更簡練并且專注于業(yè)務(wù)邏輯，幾乎所有代碼都是業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的。

小結(jié)

今天我們主要介紹Future模式，我們從一個(gè)最簡單的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Future模式的進(jìn)化版本CompletableFuture做了簡單的介紹。對
于多線程開發(fā)而言，Future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。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【Java并发编程实战】（十七）：Future和CompletableFuture的原理及实战——异步编程没有那么难的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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