多线程不得不聊的Future类

沙海
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2021年4月12日01:03:07
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在高性能编程中,并发编程已经成为了极为重要的一部分。接着小王可以继续干活,30分钟后,外卖到了,接着小王花了10分钟吃饭,接着又可以继续工作了,成功的卷到了隔壁的小汪。根据上面的设计,让我们来实现一个简单的代理模式吧!这是一个最简单的Future模式的实现,虽然简单,但是已经包含了Future模式中最精髓的部分。在这个例子中,首先以getPrice()为基础创建一个异步调用,使用thenAccept()方法,设置了一个后续的操作,也就是当getPrice()执行完成后的后续处理。

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多线程不得不聊的Future类

原创 三太子敖丙 三太子敖丙

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#多线程

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在高性能编程中,并发编程已经成为了极为重要的一部分。在单核CPU性能已经趋于极限时,我们只能通过多核来进一步提升系统的性能,因此就催生了并发编程。

由于并发编程比串行编程更困难,也更容易出错,因此,我们就更需要借鉴一些前人优秀的,成熟的设计模式,使得我们的设计更加健壮,更加完美。

而Future模式,正是其中使用最为广泛,也是极为重要的一种设计模式。今天就跟阿丙了解一手Future模式!

生活中的Future模式

为了更快的了解Future模式,我们先来看一个生活中的例子。

场景1:

午饭时间到了,同学们要去吃饭了,小王下楼,走了20分钟,来到了肯德基,点餐,排队,吃饭一共花了20分钟,又花了20分钟走回公司继续工作,合计1小时。

场景2

午饭时间到了,同学们要去吃饭了,小王点了个肯德基外卖,很快,它就拿到了一个订单(虽然订单不能当饭吃,但是有了订单,还怕吃不上饭嘛)。接着小王可以继续干活,30分钟后,外卖到了,接着小王花了10分钟吃饭,接着又可以继续工作了,成功的卷到了隔壁的小汪。

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很明显,在这2个场景中,小王的工作时间更加紧凑,特别是那些排队的时间都可以让外卖员去干,因此可以更加专注于自己的本职工作。聪明的你应该也已经体会到了,场景1就是典型的函数同步调用,而场景2是典型的异步调用。

而场景2的异步调用,还有一个特点,就是它拥有一个返回值,这个返回值就是我们的订单。这个订单很重要,凭借着这个订单,我们才能够取得当前这个调用所对应的结果。

这里的订单就如同Future模式中的Future,这是一个合约,一份承诺。虽然订单不能吃,但是手握订单,不怕没吃的,虽然Future不是我们想要的结果,但是拿着Future就能在将来得到我们想要的结果。

因此,Future模式很好的解决了那些需要返回值的异步调用。

Future模式中的主要角色

一个典型的Future模式由以下几个部分组成:

  • Main:系统启动,调用Client发出请求

  • Client:返回Data对象,立即返回FutureData,并开启ClientThread线程装配RealData

  • Data:返回数据的接口

  • FutureData:Future数据,构造很快,但是是一个虚拟的数据,需要装配RealData,好比一个订单

  • RealData:真实数据,其构造是比较慢的,好比上面例子中的肯德基午餐。

它们之间的相互关系如下图:

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其中,值得注意是Data,RealData和FutureData。这是一组典型的代理模式,Data接口表示对外数据,RealData表示真实的数据,就好比午餐,获得它的成本比较高,需要很多时间;相对的FutureData作为RealData的代理,类似于一个订单/契约,通过FutureData,可以在将来获得RealData。

因此,Future模式本质上是代理模式的一种实际应用。

实现一个简单的Future模式

根据上面的设计,让我们来实现一个简单的代理模式吧!

首先是Data接口,代表数据:

public interface Data {    public String getResult ();}

接着是FutureData,也是整个Future模式的核心:

public class FutureData implements Data {    // 内部需要维护RealData    protected RealData realdata = null;              protected boolean isReady = false;    public synchronized void setRealData(RealData realdata) {        if (isReady) {             return;        }        this.realdata = realdata;        isReady = true;        //RealData已经被注入,通知getResult()        notifyAll();                                   }    //会等待RealData构造完成    public synchronized String getResult() {                 while (!isReady) {            try {                //一直等待,直到RealData被注入                wait();                                       } catch (InterruptedException e) {            }        }        //真正需要的数据从RealData获取        return realdata.result;                          }}

下面是RealData:

public class RealData implements Data {    protected final String result;    public RealData(String para) {        StringBuffer sb=new StringBuffer();        //假设这里很慢很慢,构造RealData不是一个容易的事        result =sb.toString();    }    public String getResult() {        return result;    }}

然后从Client得到Data:

public class Client {    //这是一个异步方法,返回的Data接口是一个Future    public Data request(final String queryStr) {        final FutureData future = new FutureData();        new Thread() {                                                  public void run() {                                     // RealData的构建很慢,所以在单独的线程中进行                RealData realdata = new RealData(queryStr);                //setRealData()的时候会notify()等待在这个future上的对象                future.setRealData(realdata);            }                                                       }.start();        // FutureData会被立即返回,不会等待RealData被构造完        return future;                              }}

最后一个Main函数,把所有一切都串起来:

public static void main(String[] args) {    Client client = new Client();    //这里会立即返回,因为得到的是FutureData而不是RealData    Data data = client.request("name");    System.out.println("请求完毕");    try {        //这里可以用一个sleep代替了对其他业务逻辑的处理        //在处理这些业务逻辑的过程中,RealData被创建,从而充分利用了等待时间        Thread.sleep(2000);    } catch (InterruptedException e) {    }    //使用真实的数据,如果到这里数据还没有准备好,getResult()会等待数据准备完,再返回    System.out.println("数据 = " + data.getResult());}

这是一个最简单的Future模式的实现,虽然简单,但是已经包含了Future模式中最精髓的部分。对大家理解JDK内部的Future对象,有着非常重要的作用。

Java中的Future模式

Future模式是如此常用,在JDK内部已经有了比较全面的实现和支持。下面,让我们一起看看JDK内部的Future实现:

多线程不得不聊的Future类

首先,JDK内部有一个Future接口,这就是类似前面提到的订单,当然了,作为一个完整的商业化产品,这里的Future的功能更加丰富了,除了get()方法来获得真实数据以外,还提供一组辅助方法,比如:

  • cancel():如果等太久,你可以直接取消这个任务

  • isCancelled():任务是不是已经取消了

  • isDone():任务是不是已经完成了

  • get():有2个get()方法,不带参数的表示无穷等待,或者你可以只等待给定时间

下面代码演示了这个Future的使用方法:

        //异步操作 可以用一个线程池        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);        //执行FutureTask,相当于上例中的 client.request("name") 发送请求        //在这里开启线程进行RealData的call()执行        Future<String> future = executor.submit(new RealData("name"));        System.out.println("请求完毕,数据准备中");        try {            //这里依然可以做额外的数据操作,这里使用sleep代替其他业务逻辑的处理            Thread.sleep(2000);        } catch (InterruptedException e) {        }        //如果此时call()方法没有执行完成,则依然会等待        System.out.println("数据 = " + future.get());

整个使用过程非常简单,下面我们来分析一下executor.submit()里面究竟发生了什么:

    public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {        if (task == null) throw new NullPointerException();        // 根据Callable对象,创建一个RunnableFuture,这里其实就是FutureTask        RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);        //将ftask推送到线程池        //在新线程中执行的,就是run()方法,在下面的代码中有给出        execute(ftask);        //返回这个Future,将来通过这个Future就可以得到执行的结果        return ftask;    }    protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {        return new FutureTask<T>(callable);    }

最关键的部分在下面,FutureTask作为一个线程单独执行时,会将结果保存到outcome中,并设置任务的状态,下面是FutureTask的run()方法:

多线程不得不聊的Future类

从FutureTask中获得结果的实现如下:

    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {        int s = state;        //如果没有完成,就等待,回到用park()方法阻塞线程        //同时,所有等待线程会在FutureTask的waiters字段中排队等待        if (s <= COMPLETING)            s = awaitDone(false, 0L);        return report(s);    }    private V report(int s) throws ExecutionException {        //outcome里保存的就是最终的计算结果        Object x = outcome;        if (s == NORMAL)            //正常完成,就返回outcome            return (V)x;        //如果没有正常完成, 比如被用户取消了,或者有异常了,就抛出异常        if (s >= CANCELLED)            throw new CancellationException();        throw new ExecutionException((Throwable)x);    }

Future模式的高阶版本—— CompletableFuture

Future模式虽然好用,但也有一个问题,那就是将任务提交给线程后,调用线程并不知道这个任务什么时候执行完,如果执行调用get()方法或者isDone()方法判断,可能会进行不必要的等待,那么系统的吞吐量很难提高。

为了解决这个问题,JDK对Future模式又进行了加强,创建了一个CompletableFuture,它可以理解为Future模式的升级版本,它最大的作用是提供了一个回调机制,可以在任务完成后,自动回调一些后续的处理,这样,整个程序可以把“结果等待”完全给移除了。

下面来看一个简单的例子:

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在这个例子中,首先以getPrice()为基础创建一个异步调用,接着,使用thenAccept()方法,设置了一个后续的操作,也就是当getPrice()执行完成后的后续处理。

不难看到,CompletableFuture比一般的Future更具有实用性,因为它可以在Future执行成功后,自动回调进行下一步的操作,因此整个程序不会有任何阻塞的地方(也就是说你不用去到处等待Future的执行,而是让Future执行成功后,自动来告诉你)。

以上面的代码为例,CompletableFuture之所有会有那么神奇的功能,完全得益于AsyncSupply类(由上述代码中的supplyAsync()方法创建)。

AsyncSupply在执行时,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 {                        //这里就是你要执行的异步方法                        //结果会被保存下来,放到d.result字段中                        d.completeValue(f.get());                    } catch (Throwable ex) {                        d.completeThrowable(ex);                    }                }                //执行成功了,进行后续处理,在这个后续处理中,就会调用thenAccept()中的消费者                //这里就相当于Future完成后的通知                d.postComplete();            }        }

继续看d.postComplete(),这里会调用后续一系列操作

   final void postComplete() {                //省略部分代码,重点在tryFire()里                //在tryFire()里,真正触发了后续的调用,也就是thenAccept()中的部分                f = (d = h.tryFire(NESTED)) == null ? this : d;            }        }    }

絮叨

今天,我们主要介绍Future模式,我们从一个最简单的Future模式开始,逐步深入,先后介绍了JDK内部的Future模式实现,以及对Future模式的进化版本CompletableFuture做了简单的介绍。对

于多线程开发而言,Future模式的应用极其广泛,可以说这个模式已经成为了异步开发的基础设施。

好啦如果想了解多线程的更多知识点可以关注我,查看历史文章,我也会持续更新的。

我是敖丙,你知道的越多,你不知道的越多,感谢各位人才的:点赞收藏评论,我们下期见!

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