Java多线程编程-（17）-多线程异步调用之Future模式

一、线程计数器回顾

在《Java多线程编程-（6）-两种常用的线程计数器CountDownLatch和循环屏障CyclicBarrier》 这一篇中，我们使用线程计数器的方式实现了在主线程中等待计数的线程执行完之后在执行阻塞等待之后的代码。看段代码回顾一下：

public class SummonDragonDemo {

    private static final int THREAD_COUNT_NUM = 7;
    private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT_NUM);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        for (int i = 1; i <= THREAD_COUNT_NUM; i++) {
            int index = i;
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println("第" + index + "颗龙珠已收集到！");
                    //模拟收集第i个龙珠,随机模拟不同的寻找时间
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(3000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //每收集到一颗龙珠,需要等待的颗数减1
                countDownLatch.countDown();
            }).start();
        }
        //等待检查，即上述7个线程执行完毕之后，执行await后边的代码
        countDownLatch.await();
        System.out.println("集齐七颗龙珠！召唤神龙！");
    }
}

这里简单的回顾了一下CountDownLatch，这是因为CountDownLatch也实现了类似异步调用的过程，只不过具体的任务由线程去执行，但是会阻塞在主线程的countDownLatch.await(); 处，（这里要将的Future同样也会阻塞，只是阻塞在了真正数据获取的位置！后边会讲到！）。

二、什么是异步调用

当我们调用一个函数的时候，如果这个函数的执行过程是很耗时的，我们就必须要等待，但是我们有时候并不急着要这个函数返回的结果。因此，我们可以让被调者立即返回，让他在后台慢慢的处理这个请求。对于调用者来说，则可以先处理一些其他事情，在真正需要数据的时候再去尝试获得需要的数据（这个真正需要数据的位置也就是上文提到的阻塞点）。这也是Future模式的核心思想：异步调用。

到了这里，你可能会想CountDownLatch不是也可以实现类似的功能的吗？也是可以让耗时的任务通过子线程的方式去执行，然后设置一个阻塞点等待返回的结果，情况貌似是这样的！但有时发现CountDownLatch只知道子线程的完成情况是不够的，如果在子线程完成后获取其计算的结果，那CountDownLatch就有些捉襟见衬了，所以JDK提供的Future类，不仅可以在子线程完成后收集其结果，还可以设定子线程的超时时间，避免主任务一直等待。

看到这里，似乎恍然大悟了！CountDownLatch无法很好的洞察子线程执行的结果，使用Future就可以完成这一操作，那么Future何方神圣！下边我们就细细聊一下。

三、Future模式

虽然，Future模式不会立即返回你需要的数据，但是，他会返回一个契约 ，以后在使用到数据的时候就可以通过这个契约获取到需要的数据。

上图显示的是一个串行程序调用的流程，可以看出当有一个程序执行的时候比较耗时的时候，其他程序必须等待该耗时操作的结束，这样的话客户端就必须一直等待，知道返回数据才执行其他的任务处理。

上图展示的是Future模式流程图，在广义的Future模式中，虽然获取数据是一个耗时的操作，但是服务程序不等数据完成就立即返回客户端一个伪造的数据（就是上述说的“契约”），实现了Future模式的客户端并不急于对其进行处理，而是先去处理其他业务，充分利用了等待的时间，这也是Future模式的核心所在，在完成了其他数据无关的任务之后，最后在使用返回比较慢的Future数据。这样在整个调用的过程中就不会出现长时间的等待，充分利用时间，从而提高系统效率。

1、Future主要角色

2、Future的核心结构图如下：

上述的流程就是说：Data为核心接口，这是客户端希望获取的数据，在Future模式中，这个Data接口有两个重要的实现，分别是：RealData和FutureData。RealData就是真实的数据，FutureData他是用来提取RealData真是数据的接口实现，用于立即返回得到的，他实际上是真实数据RealData的代理，封装了获取RealData的等待过程。

说了这些理论的东西，倒不如直接看代码来的直接些，请看代码！

四、Future模式的简单实现

主要包含以下5个类，对应着Future模式的主要角色：

1、Data接口

/**
 * 返回数据的接口
 */
public interface Data {

    String getResult();
}

2、FutureData代码

/**
 * Future数据，构造很快，但是是一个虚拟的数据，需要装配RealData
 */
public class FutureData implements Data {

    private RealData realData = null;
    private boolean isReady = false;

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    @Override
    public String getResult() {
        while (!isReady) {
            try {
                lock.lock();
                condition.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        return realData.getResult();
    }

    public void setRealData(RealData realData) {
        lock.lock();
        if (isReady) {
            return;
        }
        this.realData = realData;
        isReady = true;
        condition.signal();
        lock.unlock();
    }
}

3、RealData代码

public class RealData implements Data {

    private String result;

    public RealData(String param) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(param);
        try {
            //模拟构造真实数据的耗时操作
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        result = sb.toString();
    }

    @Override
    public String getResult() {
        return result;
    }
}

4、Client代码

public class Client {

    public Data request(String param) {
        //立即返回FutureData
        FutureData futureData = new FutureData();
        //开启ClientThread线程装配RealData
        new Thread(() -> {
            {
                //装配RealData
                RealData realData = new RealData(param);
                futureData.setRealData(realData);
            }
        }).start();
        return futureData;
    }
}

5、Main

/**
 * 系统启动，调用Client发出请求
 */
public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Client client = new Client();
        Data data = client.request("Hello Future!");
        System.out.println("请求完毕！");

        try {
            //模拟处理其他业务
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("真实数据：" + data.getResult());
    }
}

6、执行结果：

五、JDK中的Future模式实现

上述实现了一个简单的Future模式的实现，因为这是一个很常用的模式，在JDK中也给我们提供了对应的方法和接口，先看一下实例：

public class RealData implements Callable<String> {

    private String result;

    public RealData(String result) {
        this.result = result;
    }

    @Override
    public String call() throws Exception {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(result);
        //模拟耗时的构造数据过程
        Thread.sleep(5000);
        return sb.toString();
    }
}

这里的RealData 实现了Callable接口，重写了call方法，在call方法里边实现了构造真实数据耗时的操作。

public class FutureMain {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {

        FutureTask futureTask = new FutureTask<>(new RealData("Hello"));

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
        executorService.execute(futureTask);

        System.out.println("请求完毕！");

        try {
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("这里经过了一个2秒的操作！");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("真实数据：" + futureTask.get());
        executorService.shutdown();
    }
}

执行结果：

上述代码，通过：FutureTask futureTask = new FutureTask<>(new RealData("Hello")); 这一行构造了一个futureTask 对象，表示这个任务是有返回值的，返回类型为String，下边看一下FutureTask的类图关系：

FutureTask实现了RunnableFuture接口，RunnableFuture接口继承了Future和Runnable接口。因为RunnableFuture实现了Runnable接口，因此FutureTask可以提交给Executor进行执行，FutureTask有两个构造方法，如下：

构造方法1，参数为Callable：

构造方法2，参数为Runnable：

上述的第二个构造方法，传入的是Runnable接口的话，会通过Executors.callable（）方法转化为Callable，适配过程如下：

这里为什么要将Runnable转化为Callable哪？首先看一下两者之间的区别：

(1) Callable规定的方法是call()，Runnable规定的方法是run()；
(2) Callable的任务执行后可返回值，而Runnable的任务是不能返回值得； 
(3) call()方法可以抛出异常，run()方法不可以；
(4) 运行Callable任务可以拿到一个Future对象，Future 表示异步计算的结果。

最关键的是第二点，就是Callable具有返回值，而Runnable没有返回值。Callable提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并获取计算的结果。

计算完成后只能使用 get 方法来获取结果，如果线程没有执行完，Future.get()方法可能会阻塞当前线程的执行；如果线程出现异常，Future.get()会throws InterruptedException或者ExecutionException；如果线程已经取消，会抛出CancellationException。取消由cancel 方法来执行。isDone确定任务是正常完成还是被取消了。

一旦计算完成，就不能再取消计算。如果为了可取消性而使用 Future 但又不提供可用的结果，则可以声明Future 形式类型、并返回 null 作为底层任务的结果。

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参考文章：

1、http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/7451464

2、http://blog.csdn.net/heyutao007/article/details/19072675