【併發編程】Future模式及JDK中的實現

時間  2019-11-06
標籤 併發編程 future 模式 jdk 實現 欄目 Java 简体版
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本文講解Java中Future模式的使用，文章也發佈在了公號（點擊查看），歡迎交流。前端

1.一、Future模式是什麼

先簡單舉個例子介紹，當咱們平時寫一個函數，函數裏的語句一行行同步執行，若是某一行執行很慢，程序就必須等待，直到執行結束才返回結果；但有時咱們可能並不急着須要其中某行的執行結果，想讓被調用者當即返回。好比小明在某網站上成功建立了一個帳號，建立完帳號後會有郵件通知，若是在郵件通知時因某種緣由耗時好久（此時帳號已成功建立），使用傳統同步執行的方式那就要等完這個時間纔會有建立成功的結果返回到前端，但此時帳號建立成功後咱們並不須要當即關心郵件發送成功了沒，此時就可使用Future模式，讓安在後臺慢慢處理這個請求，對於調用者來講，則能夠先處理一些其餘任務，在真正須要數據的場合（好比某時想要知道郵件發送是否成功）再去嘗試獲取須要的數據。java

使用Future模式,獲取數據的時候可能沒法當即獲得須要的數據。而是先拿到一個包裝,能夠在須要的時候再去get獲取須要的數據。併發

1.二、Future模式與傳統模式的區別

先看看請求返回的時序圖，明顯傳統的模式是串行同步執行的,在遇到耗時操做的時候只能等待。反觀Future模式，發起一個耗時操做後，函數會馬上返回，並不會阻塞客戶端線程。因此在執行實際耗時操做時候客戶端無需等待，能夠作其餘事情,直到須要的時候再向工做線程獲取結果。less

2.一、動手實現簡易Future模式

下面的DataFuture類只是一個包裝類，建立它時無需阻塞等待。在工做線程準備好數據後使用setRealData方法將數據傳入。客戶端只要在真正須要數據時調用getRealData方法便可，若是此時數據已準備好則當即返回，不然getRealData方法就會等待，直到獲取數據完成。異步

public class DataFuture<T> {
    private T realData;
    private boolean isOK = false;

    public synchronized T getRealData() {
        while (!isOK) {
            try {
                // 數據未準備好則等待
                wait();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return realData;
    }
    
    public synchronized void setRealData(T data) {
        isOK = true;
        realData = data;
        notifyAll();
    }
}
複製代碼

下面實現一服務端，客戶端向服務端請求數據時，服務端並不會馬上去加載真正數據，只是建立一個DataFuture，建立子線程去加載真正數據，服務端直接返回DataFuture便可。ide

public class Server {
    
    public DataFuture<String> getData() {
        final DataFuture<String> data = new DataFuture<>();
        Executors.newSingleThreadExecutor().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                data.setRealData("最終數據");
            }
        });
        return data;
    }
}
複製代碼

最終客戶端調用 代碼以下：函數

long start = System.currentTimeMillis();
Server server = new Server();
DataFuture<String> dataFuture = server.getData();

try {
    // 先執行其餘操做
    Thread.sleep(5000);
    // 模擬耗時...
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

System.out.print("結果數據：" + dataFuture.getRealData());
System.out.println("耗時: " + (System.currentTimeMillis() - start));
複製代碼

結果：網站

結果數據：最終數據
耗時: 5021
複製代碼

執行最終數據耗時都在5秒左右，若是串行執行的話就是10秒左右。ui

2.二、JDK中的Future與FutureTask

先來看看Future接口源碼：this

public interface Future<V> {

    /** * 用來取消任務，取消成功則返回true，取消失敗則返回false。 * mayInterruptIfRunning參數表示是否容許取消正在執行卻沒有執行完畢的任務，設爲true，則表示能夠取消正在執行過程當中的任務。 * 若是任務已完成，則不管mayInterruptIfRunning爲true仍是false，此方法都返回false，即若是取消已經完成的任務會返回false； * 若是任務正在執行，若mayInterruptIfRunning設置爲true，則返回true，若mayInterruptIfRunning設置爲false，則返回false； * 若是任務尚未執行，則不管mayInterruptIfRunning爲true仍是false，確定返回true。 */
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    /** * 表示任務是否被取消成功，若是在任務正常完成前被取消成功，則返回true */
    boolean isCancelled();

    /** * 表示任務是否已經完成，若任務完成，則返回true */
    boolean isDone();

    /** * 獲取執行結果，若是最終結果還沒得出該方法會產生阻塞，直到任務執行完畢返回結果 */
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    /** * 獲取執行結果，若是在指定時間內，還沒獲取到結果，則拋出TimeoutException */
    V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
複製代碼

從上面源碼可看出Future就是對於Runnable或Callable任務的執行進行查詢、中斷任務、獲取結果。下面就以一個計算1到1億的和爲例子，看使用傳統方式和使用Future耗時差多少。先看傳統方式代碼：

public class FutureTest {

    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        List<Integer> retList = new ArrayList<>();

        // 計算1000次1至1億的和
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            retList.add(Calc.cal(100000000));
        }
        System.out.println("耗時: " + (System.currentTimeMillis() - start));

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            try {
                Integer result = retList.get(i);
                System.out.println("第" + i + "個結果: " + result);
            } catch (Exception e) {
            }
        }
        System.out.println("耗時: " + (System.currentTimeMillis() - start));
    }

    public static class Calc implements Callable<Integer> {

        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            return cal(10000);
        }

        public static int cal (int num) {
            int sum = 0;
            for (int i = 0; i < num; i++) {
                sum += i;
            }
            return sum;
        }
    }
}
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執行結果（耗時40+秒）：

耗時: 43659
第0個結果: 887459712
第1個結果: 887459712
第2個結果: 887459712
...
第999個結果: 887459712
耗時: 43688
複製代碼

再來看看使用Future模式下程序：

public class FutureTest {

    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        List<Future<Integer>> futureList = new ArrayList<>();

        // 計算1000次1至1億的和
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            // 調度執行
            futureList.add(executorService.submit(new Calc()));
        }
        System.out.println("耗時: " + (System.currentTimeMillis() - start));

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            try {
                Integer result = futureList.get(i).get();
                System.out.println("第" + i + "個結果: " + result);
            } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            }
        }
        System.out.println("耗時: " + (System.currentTimeMillis() - start));
    }

    public static class Calc implements Callable<Integer> {

        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            return cal(100000000);
        }

        public static int cal (int num) {
            int sum = 0;
            for (int i = 0; i < num; i++) {
                sum += i;
            }
            return sum;
        }
    }
}
複製代碼

執行結果（耗時12+秒）：

耗時: 12058
第0個結果: 887459712
第1個結果: 887459712
...
第999個結果: 887459712
耗時: 12405
複製代碼

能夠看到，計算1000次1至1億的和，使用Future模式併發執行最終的耗時比使用傳統的方式快了30秒左右，使用Future模式的效率大大提升。

2.三、FutureTask

說完Future，Future由於是接口不能直接用來建立對象，就有了下面的FutureTask。 先看看FutureTask的實現：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> 複製代碼

能夠看到FutureTask類實現了RunnableFuture接口，接着看RunnableFuture接口源碼：

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    /** * Sets this Future to the result of its computation * unless it has been cancelled. */
    void run();
}
複製代碼

能夠看到RunnableFuture接口繼承了Runnable接口和Future接口，也就是說其實FutureTask既能夠做爲Runnable被線程執行，也能夠做爲Future獲得Callable的返回值。

看下面FutureTask的兩個構造方法，能夠看出就是爲這兩個操做準備的。

public FutureTask(Callable<V> var1) {
    if (var1 == null) {
        throw new NullPointerException();
    } else {
        this.callable = var1;
        this.state = 0;
    }
}

public FutureTask(Runnable var1, V var2) {
    this.callable = Executors.callable(var1, var2);
    this.state = 0;
}
複製代碼

FutureTask使用實例：

public class FutureTest {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Calc task = new Calc();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
        executor.submit(futureTask);
        executor.shutdown();
    }

    public static class Calc implements Callable<Integer> {

        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            return cal(100000000);
        }

        public static int cal (int num) {
            int sum = 0;
            for (int i = 0; i < num; i++) {
                sum += i;
            }
            return sum;
        }
    }
}
複製代碼

2.四、Future不足之處

上面例子能夠看到使用Future模式比傳統模式效率明顯提升了，使用Future必定程度上可讓一個線程池內的任務異步執行；但同時也有個明顯的缺點：就是回調沒法放到與任務不一樣的線程中執行，傳統回調最大的問題就是不能將控制流分離到不一樣的事件處理器中。好比主線程要等各個異步執行線程返回的結果來作下一步操做，就必須阻塞在future.get()方法等待結果返回，這時其實又是同步了，若是遇到某個線程執行時間太長時，那狀況就更糟了。

到Java8時引入了一個新的實現類CompletableFuture，彌補了上面的缺點，在下篇會講解CompletableFuture的使用。

做者注：原文發表在公號（點擊查看），按期分享IT互聯網、金融等工做經驗心得、人生感悟，歡迎訂閱交流，目前就任阿里-移動事業部，須要大廠內推的也可到公衆號砸簡歷，或查看我我的資料獲取。（公號ID：weknow619）。

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