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

引言

在高性能編程中，并發編程已經成為了極為重要的一部分。并發編程可以總結為三個核心問題：分工、同步和互斥。編寫并發程序，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并分配給線程。由于并發編程比串行編程更困難，也更容易出錯，因此，我們就更需要借鑒一些前人優秀的，成熟的設計模式，使得我們的設計更加健壯，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計模式。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，對于燒水泡茶這個程序，她采取的方案是下圖所示的這樣：用兩個線程T1和T2來完成燒水泡茶程序，T1負責洗水壺、燒開水、泡茶這三道工序，T2負責洗茶壺、洗茶杯、拿茶葉三道工序，其中T1在執行泡茶這道工序時需要等待T2完成拿茶葉的工序。對于T1的這個等待動作，你應該可以想出很多種辦法，例如Thread.join()、CountDownLatch，甚至阻塞隊列都可以解決，不過今天我們用Future特性來實現。

Java中的Future

如何獲取Future

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

這個方法的參數是一個Runnable接口，Runnable接口的run()方法是沒有返回值的，所以 submit(Runnable task) 這個方法返回的Future僅可以用來斷言任務已經結束了，類似于Thread.join()。

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

這個方法的參數是一個Callable接口，它只有一個call()方法，并且這個方法是有返回值的，所以這個方法返回的Future對象可以通過調用其get()方法來獲取任務的執行結果。

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

這個方法很有意思，假設這個方法返回的Future對象是future，future.get()的返回值就是傳給submit()方法的參數result。這個方法該怎么用呢？下面這段示例代碼展示了它的經典用法。需要你注意的是Runnable接口的實現類Task聲明了一個有參構造函數 Task(Result r) ，創建Task對象的時候傳入了result對象，這樣就能在類Task的run()方法中對result進行各種操作了。result相當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據。

Future的主要方法及使用

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

// 取消任務boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);// 判斷任務是否已取消 boolean isCancelled();// 判斷任務是否已結束boolean isDone();// 獲得任務執行結果get();// 獲得任務執行結果，支持超時get(long timeout, TimeUnit unit);

那么如何靈活的使用這幾個方法呢？下面的示例代碼就是用這一節提到的Future特性來實現的。首先，我們創建了兩個Future——task1和task2，task1完成洗水壺、燒開水、泡茶的任務，task2完成洗茶壺、洗茶杯、拿茶葉的任務；這里需要注意的是task1這個任務在執行泡茶任務前，需要等待task2把茶葉拿來，所以task1內部需要引用task2，并在執行泡茶之前，調用task2的get()方法實現等待。

一次執行結果：

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又是如何實現異步操作的呢，我們結合源碼來看一下。

由于Future是接口，這里我們主要看它的實現類FutureTask的實現。關鍵的部分在下面，FutureTask作為一個線程單獨執行時，會將結果保存到Object類型的變量outcome中，并設置任務的狀態,下面是FutureTask的run()方法：

從FutureTask中獲得結果的實現如下：

Future模式的高階版本—— CompletableFuture

Future模式雖然好用，但也有一個問題，那就是將任務提交給線程后，調用線程并不知道這個任務什么時候執行完，如果執行調用get()方法或者isDone()方法判斷，可能會進行不必要的等待，那么系統的吞吐量很難提高。
為了解決這個問題，JDK對Future模式又進行了加強，創建了一個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回調機制，可以在任務完成后，自動回調一些后續的處理，這樣，整個程序可以把“結果等待”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)

四個靜態方法用來為一段異步執行的代碼創建CompletableFuture對象，方法的參數類型都是函數式接口，所以可以使用lambda表達式實現異步任務

• runAsync方法：它以Runnable函數式接口類型為參數，所以CompletableFuture的計算結果為空。

• supplyAsync方法以Supplier函數式接口類型為參數，CompletableFuture的計算結果類型為U。

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

CompletableFuture的主要方法及使用

關于CompletableFuture，Java中提供了如下幾個核心方法：
1 變換結果
由于回調風格的實現，我們不必因為等待一個計算完成而阻塞著調用線程，而是告訴CompletableFuture當計算完成的時候請執行某個Function。還可以串聯起來。
這些方法的輸入是上一個階段計算后的結果，返回值是經過轉化后結果：

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 消費結果
這些方法只是針對結果進行消費，入參是Consumer，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 計算結果完成時的處理
當CompletableFuture的計算結果完成，或者拋出異常的時候，可以執行特定的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 結合兩個CompletionStage的結果，進行轉化后返回
需要上一階段的返回值，并且other代表的CompletionStage也要返回值之后，把這兩個返回值，進行轉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異步編程的優勢，這里我們用CompletableFuture重新實現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個任務：任務1負責洗水壺、燒開水，任務2負責洗茶壺、洗茶杯和拿茶葉，任務3負責泡茶。其中任務3要等待任務1和任務2都完成后才能開始。這個分工如下圖所示。

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

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

小結

今天我們主要介紹Future模式，我們從一個最簡單的Future模式開始，逐步深入，先后介紹了JDK內部的Future模式實現，以及對Future模式的進化版本CompletableFuture做了簡單的介紹。對
于多線程開發而言，Future模式的應用極其廣泛，可以說這個模式已經成為了異步開發的基礎設施。

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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