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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(guò)多核來(lái)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(lái)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(lái)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(méi)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(lái)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(kāi)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(guò)FutureData，可以在將來(lái)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(lái)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(lái)：

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(guò)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(méi)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(lái)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(wú)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(kāi)啟線程進(jìn)行RealData的call()執(zhí)行 
  Future<String> 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(méi)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(guò)程非常簡(jiǎn)單，下面我們來(lái)分析一下executor.submit()里面究竟發(fā)生了什么：

public <T> Future<T> submit(Callable<T> 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<T> 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(lái)通過(guò)這個(gè)Future就可以得到執(zhí)行的結(jié)果 
    return ftask; 
} 
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) { 
    return new FutureTask<T>(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(méi)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(méi)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(wèn)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(wèn)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(lái)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(shuō)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(lái)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<T> d; Supplier<T> 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(lái)，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(kāi)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(kāi)發(fā)而言，F(xiàn)uture模式的應(yīng)用極其廣泛，可以說(shuō)這個(gè)模式已經(jīng)成為了異步開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施。