关于juc:JUC包之Future模式

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Future 模式

Future 模式是多线程开发中的一种常见的设计模式，核心思想异步调用，让串行化的问题变得并行处理节省时间。

当程序执行一个工作时，这个工作可能执行的很慢，它不可能立刻返回后果，但能够返回一个契约，因而咱们能够在该工作执行的时候，再去执行其它工作，最终用该契约获取后果。

举个栗子：

在网上买了一部手机，手机三天后才会到货，但会马上产生一个订单，这个订单就是上述所提到的契约，而后咱们不必始终干等手机的到来，齐全能够去忙别的事，当快递到来的时候，订单核查一下，而后就取得了最终后果。

JDK 中的 Future 模式

Future 接口相似于之前的契约，依据 Future 对象调用 get 办法最终获取到后果。

FutureTask 接口实现 Callable 接口对象到 Runnable 接口对象的过渡，最终会交由 Callable 接口实现，Callable 接口的 call 办法返回最终后果。

FutureTask 类阐明

英文有肯定阻碍的看中文正文

/**
一、订正阐明：

1、这与该类以前依赖 AbstractQueuedSynchronizer 的版本不同，
次要是为了防止用户在勾销竞争期间意外地保留中断状态。

2、以后设计中的同步控制依赖于通过 CAS 更新的“state”字段来跟踪实现状况，
以及一个用于保留期待线程的简略 Treiber 堆栈。

二、阐明：

1、与平常一样，咱们绕过了应用 atomicxfielddupdater 的开销，而是间接应用不平安的外部函数。

工作状态：
一、状态阐明
1、此工作的运行状态，最后为新建。
2、运行状态仅在办法 set、setException 和 cancel 中转换为终端状态。
3、在实现过程中，状态可能会出现实现（在设置后果时）或中断（仅在中断转轮以满足勾销（true））的瞬态值。
4、从这些中间状态到最终状态的转换应用更便宜的程序 / 提早写入，因为值是惟一的，无奈进一步批改。

二、可能的状态转换：

1、新建 -> 实现 -> 失常
2、新建 -> 实现 -> 异样
3、新建 -> 勾销
4、新建 -> 中断 -> 中断
**/

/**
 * A cancellable asynchronous computation.  This class provides a base
 * implementation of {@link Future}, with methods to start and cancel
 * a computation, query to see if the computation is complete, and
 * retrieve the result of the computation.  The result can only be
 * retrieved when the computation has completed; the {@code get}
 * methods will block if the computation has not yet completed.  Once
 * the computation has completed, the computation cannot be restarted
 * or cancelled (unless the computation is invoked using
 * {@link #runAndReset}).
 *
 * <p>A {@code FutureTask} can be used to wrap a {@link Callable} or
 * {@link Runnable} object.  Because {@code FutureTask} implements
 * {@code Runnable}, a {@code FutureTask} can be submitted to an
 * {@link Executor} for execution.
 *
 * <p>In addition to serving as a standalone class, this class provides
 * {@code protected} functionality that may be useful when creating
 * customized task classes.
 *
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 * @param <V> The result type returned by this FutureTask's {@code get} methods
 */
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
    /*
     * Revision notes: This differs from previous versions of this
     * class that relied on AbstractQueuedSynchronizer, mainly to
     * avoid surprising users about retaining interrupt status during
     * cancellation races. Sync control in the current design relies
     * on a "state" field updated via CAS to track completion, along
     * with a simple Treiber stack to hold waiting threads.
     *
     * Style note: As usual, we bypass overhead of using
     * AtomicXFieldUpdaters and instead directly use Unsafe intrinsics.
     */

    /**
     * The run state of this task, initially NEW.  The run state
     * transitions to a terminal state only in methods set,
     * setException, and cancel.  During completion, state may take on
     * transient values of COMPLETING (while outcome is being set) or
     * INTERRUPTING (only while interrupting the runner to satisfy a
     * cancel(true)). Transitions from these intermediate to final
     * states use cheaper ordered/lazy writes because values are unique
     * and cannot be further modified.
     *
     * Possible state transitions:
     * NEW -> COMPLETING -> NORMAL
     * NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
     * NEW -> CANCELLED
     * NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
     */
    private volatile int state;
    private static final int NEW          = 0;
    private static final int COMPLETING   = 1;
    private static final int NORMAL       = 2;
    private static final int EXCEPTIONAL  = 3;
    private static final int CANCELLED    = 4;
    private static final int INTERRUPTING = 5;
    private static final int INTERRUPTED  = 6;

    /** The underlying callable; nulled out after running */
    private Callable<V> callable;
    /** The result to return or exception to throw from get() */
    private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes
    /** The thread running the callable; CASed during run() */
    private volatile Thread runner;
    /** Treiber stack of waiting threads */
    private volatile WaitNode waiters;

    // 外部类 WaitNode 
    // 在 Treiber 堆栈中记录期待线程的简略链表节点。// 无关更具体的阐明，请参见其余类，如 Phaser 和 SynchronousQueue。/**
     * Simple linked list nodes to record waiting threads in a Treiber
     * stack.  See other classes such as Phaser and SynchronousQueue
     * for more detailed explanation.
     */
    static final class WaitNode {
        volatile Thread thread;
        volatile WaitNode next;
        WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
    }

简略应用

get 办法

package com.github.excelent01;

import java.util.concurrent.*;

/**
 * @auther plg
 * @date 2019/5/17 16:54
 */
public class TestFuture {public static void main(String[] args) {ExecutorService service = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Future<Integer> future =  service.submit(()->{TimeUnit.SECONDS.sleep(10); // 模仿延时
            return 10;
        });
        //==============================
        System.out.println("do other works.");
        //==============================

        try {System.out.println(future.get());
        } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {e.printStackTrace();
        }
        service.shutdown();}
}

Future 接口 API

public interface Future<V> {

    /**
     * 用来勾销工作，勾销胜利则返回 true，勾销失败则返回 false。* mayInterruptIfRunning 参数示意是否容许勾销正在执行却没有执行结束的工作，设为 true，则示意能够勾销正在执行过程中的工作。* 如果工作已实现，则无论 mayInterruptIfRunning 为 true 还是 false，此办法都返回 false，即如果勾销曾经实现的工作会返回 false；* 如果工作正在执行，若 mayInterruptIfRunning 设置为 true，则返回 true，若 mayInterruptIfRunning 设置为 false，则返回 false；* 如果工作还没有执行，则无论 mayInterruptIfRunning 为 true 还是 false，必定返回 true。*/
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    /**
     * 示意工作是否被勾销胜利，如果在工作失常实现前被勾销胜利，则返回 true
     */
    boolean isCancelled();

    /**
     * 示意工作是否曾经实现，若工作实现，则返回 true
     */
    boolean isDone();

    /**
     * 获取执行后果，如果最终后果还没得出该办法会产生阻塞，直到工作执行结束返回后果
     */
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    /**
     * 获取执行后果，如果在指定工夫内，还没获取到后果，则抛出 TimeoutException
     */
    V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

Future 就是对于 Runnable 或 Callable 工作的执行进行查问、中断工作、获取后果。

因为烧水要花费 15min，因而没有必要白白干等，浪费时间，在这个时间段内，能够去实现筹备茶具的一些工作，等茶具筹备好之后，就静等水烧开了。因而这是一个典型的依附 Future 模式来解决的问题。

代码实现：

package Future;

import java.util.Scanner;
import java.util.concurrent.*;

/**
 * @auther plg
 * @date 2019/5/17 17:54
 */
public class TeaTest2 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {BoilWater boilWater = new BoilWater();
        FutureTask<String> futureTask1 = new FutureTask<>(boilWater);
        ReadyTeaSet readyTeaSet = new ReadyTeaSet(futureTask1);
        FutureTask<String> futureTask2 = new FutureTask<>(readyTeaSet);
        new Thread(futureTask1).start();
        Thread.sleep(2000);
        new Thread(futureTask2).start();
        System.out.println(futureTask2.get());

    }
}
// T1 线程
class  BoilWater implements Callable<String> {
    @Override
    public String call() throws Exception {System.out.println("T1: 洗水壶");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("T1: 烧水");
        Thread.sleep(10000);
        return "T1: 水烧开了。";
    }
}
// T2 线程 ReadyTeaSet
class ReadyTeaSet implements Callable<String>{
    private FutureTask<String> futureTask = null;
    public ReadyTeaSet(FutureTask<String> futureTask) {this.futureTask = futureTask;}

    @Override
    public String call() throws Exception {System.out.println("T2: 洗水杯");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("T2: 洗茶壶");
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("T2: 取茶叶");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("T2: 等着水烧开。");
        System.out.println(futureTask.get());
        return "一壶好茶.";
    }
}

运行后果：
T1: 洗水壶
T1: 烧水
T2: 洗水杯
T2: 洗茶壶
T2: 取茶叶
T2: 等着水烧开。
T1: 水烧开了。
一壶好茶.

Process finished with exit code 0

一般模式与 Future 模式的简略比照：

  1. 一般模式在解决多任务时是串行的，在遇到耗时操作的时候只能期待，直到阻塞被解除，才会继续执行下一个工作
  2. Future 模式，只是发动了耗时操作，函数立马就返回了，真正执行具体操作由另外一个工作线程去实现，并不会阻塞客户端线程。

所以在工作线程执行耗时操作的时候客户端无需期待，能够持续做其余事件，等到须要的时候再向工作线程获取后果。

Future 模式详解：

1、Future 模式是多线程设计罕用的一种设计模式。

2、它的核心思想是异步调用。

对于 Future 模式来说，它无奈立刻返回你须要的数据，然而它会返回一个契约，未来你能够凭借这个契约去获取你须要的信息。

Future 模式能够简略了解成：我有一个工作，它比拟耗时，然而我又不想始终空等，而且有时候工作的后果并不立即须要，于是我把这工作提交给了 Future，Future 替我实现这个工作，同时 Future 将这个工作订单的信息返回给我。

那么我就能够不必等了，本人能够去做任何想做的事件。

当我须要这个工作后果的时候，我能够依据返回的订单信息，尝试从 Future 那里去取出该工作的后果（当然如果此时还未实现，则会阻塞）。

当然，思考到此时工作可能还未实现，Future 也反对工作是否实现检测，由此，咱们能够依据是否实现设计不同的该当逻辑。

FutureTask

说完 Future，Future 因为是接口不能间接用来创建对象，就有了上面的 FutureTask。

先看看 FutureTask 的实现：

能够看到 FutureTask 类实现了 RunnableFuture 接口，接着看 RunnableFuture 接口源码：


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

能够看到 RunnableFuture 接口继承了 Runnable 接口和 Future 接口，也就是说其实 FutureTask 既能够作为 Runnable 被线程执行，也能够作为 Future 失去 Callable 的返回值。

手动实现 Future 模式：

上面的 DataFuture 类只是一个包装类，创立它时无需阻塞期待。

在工作线程筹备好数据后应用 setRealData 办法将数据传入。

客户端只有在真正须要数据时调用 getRealData 办法即可，如果此时数据已筹备好则立刻返回，否则 getRealData 办法就会期待，直到获取数据实现。

DataFuture

public class DataFuture<T> {

    private T realData;
    private boolean isOK = false;

    public synchronized T getRealData() {while (!isOK) {
            try {
                // 数据未筹备好则期待
                wait();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();
            }
        }
        return realData;
    }

    public synchronized void setRealData(T data) {
        isOK = true;
        realData = data;
        notifyAll();}

}

上面实现一服务端，客户端向服务端申请数据时，服务端并不会立即去加载真正数据，只是创立一个 DataFuture，创立子线程去加载真正数据，服务端间接返回 DataFuture 即可。

Server

import java.util.concurrent.Executors;

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("最终数据");
            }
        });
        return data;
    }
}

测试代码

客户端调用 代码如下：

TestDataFuture



public class TestDataFuture {public static void main(String[] args) {long start = System.currentTimeMillis();
        Server server = new Server();
        DataFuture<String> dataFuture = server.getData();

        try {
            // 先执行其余操作
            Thread.sleep(5000);
            // 模仿耗时...
        } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("后果数据：" + dataFuture.getRealData());
        System.out.println("耗时:" + (System.currentTimeMillis() - start));
    }
}

测试后果

后果数据：最终数据
耗时: 5006

Process finished with exit code 0

Future 不足之处

下面说了一堆 Future 的益处，那么就没有毛病吗？

下面例子能够看到应用 Future 模式比传统模式效率明显提高了，应用 Future 肯定水平上能够让一个线程池内的工作异步执行；

但同时也有个显著的毛病：

就是回调无奈放到与工作不同的线程中执行，传统回调最大的问题就是不能将控制流拆散到不同的事件处理器中。

比方主线程要等各个异步执行线程返回的后果来做下一步操作，就必须阻塞在 future.get()办法期待后果返回，这时其实又是同步了，如果遇到某个线程执行工夫太长时，那状况就更糟了。

到 Java8 时引入了一个新的实现类 CompletableFuture，补救了下面的毛病，在下篇会解说 CompletableFuture 的应用。

关键词：java 培训

正文完
juc
发表至： juc
2022-02-25
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