【Akka】在并发程序中使用Future

引言

在Akka中, 一个Future是用来获取某个并发操作的结果的数据结构。这个操作通常是由Actor执行或由Dispatcher直接执行的. 这个结果可以以同步（阻塞）或异步（非阻塞）的方式访问。
Future提供了一种简单的方式来执行并行算法。

Future直接使用

Future中的一个常见用例是在不需要使用Actor的情况下并发地执行计算。
Future有两种使用方式：

1. 阻塞方式（Blocking）：该方式下，父actor或主程序停止执行知道所有future完成各自任务。通过scala.concurrent.Await使用。
2. 非阻塞方式（Non-Blocking），也称为回调方式（Callback）：父actor或主程序在执行期间启动future，future任务和父actor并行执行，当每个future完成任务，将通知父actor。通过onComplete、onSuccess、onFailure方式使用。

执行上下文（ExecutionContext）

为了运行回调和操作，Futures需要有一个ExecutionContext。
如果你在作用域内有一个ActorSystem，它会它自己派发器用作ExecutionContext，你也可以用ExecutionContext伴生对象提供的工厂方法来将Executors和ExecutorServices进行包裹，或者甚至创建自己的实例。
通过导入ExecutionContext.Implicits.global来导入默认的全局执行上下文。你可以把该执行上下文看做是一个线程池，ExecutionContext是在某个线程池执行任务的抽象。
如果在代码中没有导入该执行上下文，代码将无法编译。

阻塞方式

第一个例子展示如何创建一个future，然后通过阻塞方式等待其计算结果。虽然阻塞方式不是一个很好的用法，但是可以说明问题。
这个例子中，通过在未来某个时间计算1+1，当计算结果后再返回。

import scala.concurrent.{Await, Future}
import scala.concurrent.duration._
import scala.concurrent.ExecutionContext.Implicits.global

object FutureBlockDemo extends App{
  implicit val baseTime = System.currentTimeMillis

  // create a Future
  val f = Future {
    Thread.sleep(500)
    1+1
  }
  // this is blocking(blocking is bad)
  val result = Await.result(f, 1 second)
  // 如果Future没有在Await规定的时间里返回,
  // 将抛出java.util.concurrent.TimeoutException
  println(result)
  Thread.sleep(1000)
}

代码解释：

1. 在上面的代码中，被传递给Future的代码块会被缺省的Dispatcher所执行，代码块的返回结果会被用来完成Future。 与从Actor返回的Future不同，这个Future拥有正确的类型, 我们还避免了管理Actor的开销。
2. Await.result方法将阻塞1秒时间来等待Future结果返回，如果Future在规定时间内没有返回，将抛出java.util.concurrent.TimeoutException异常。
3. 通过导入scala.concurrent.duration._，可以用一种方便的方式来声明时间间隔，如100 nanos，500 millis，5 seconds、1 minute、1 hour，3 days。还可以通过Duration(100, MILLISECONDS)，Duration(200, "millis")来创建时间间隔。

非阻塞方式（回调方式）

有时你只需要监听Future的完成事件，对其进行响应，不是创建新的Future，而仅仅是产生副作用。
通过onComplete,onSuccess,onFailure三个回调函数来异步执行Future任务，而后两者仅仅是第一项的特例。

使用onComplete的代码示例：

import scala.concurrent.{Future}
import scala.concurrent.ExecutionContext.Implicits.global
import scala.util.{Failure, Success}
import scala.util.Random

object FutureNotBlock extends App{
  println("starting calculation ...")
  val f = Future {
    Thread.sleep(Random.nextInt(500))
    42
  }

  println("before onComplete")
  f.onComplete{
    case Success(value) => println(s"Got the callback, meaning = $value")
    case Failure(e) => e.printStackTrace
  }

  // do the rest of your work
  println("A ...")
  Thread.sleep(100)
  println("B ....")
  Thread.sleep(100)
  println("C ....")
  Thread.sleep(100)
  println("D ....")
  Thread.sleep(100)
  println("E ....")
  Thread.sleep(100)

  Thread.sleep(2000)
}

使用onSuccess、onFailure的代码示例：

import scala.concurrent.{Future}
import scala.concurrent.ExecutionContext.Implicits.global
import scala.util.{Failure, Success}
import scala.util.Random

object Test12_FutureOnSuccessAndFailure extends App{
  val f = Future {
    Thread.sleep(Random.nextInt(500))
    if (Random.nextInt(500) > 250) throw new Exception("Tikes!") else 42
  }

  f onSuccess {
    case result => println(s"Success: $result")
  }

  f onFailure {
    case t => println(s"Exception: ${t.getMessage}")
  }

  // do the rest of your work
  println("A ...")
  Thread.sleep(100)
  println("B ....")
  Thread.sleep(100)
  println("C ....")
  Thread.sleep(100)
  println("D ....")
  Thread.sleep(100)
  println("E ....")
  Thread.sleep(100)

  Thread.sleep(1000)
}

代码解释：
上面两段例子中，Future结构中随机延迟一段时间，然后返回结果或者抛出异常。
然后在回调函数中进行相关处理。

创建返回Future[T]的方法

先看一下示例：

import scala.concurrent.{Await, Future, future}
import scala.concurrent.ExecutionContext.Implicits.global
import scala.util.{Failure, Success}

object ReturnFuture extends App{
  implicit val baseTime = System.currentTimeMillis

  // `future` method is another way to create a future
  // It starts the computation asynchronously and retures a Future[Int] that
  // will hold the result of the computation.
  def longRunningComputation(i: Int): Future[Int] = future {
    Thread.sleep(100)
    i + 1
  }

  // this does not block
  longRunningComputation(11).onComplete {
    case Success(result) => println(s"result = $result")
    case Failure(e) => e.printStackTrace
  }

  // keep the jvm from shutting down
  Thread.sleep(1000)
}

代码解释：
上面代码中的longRunningComputation返回一个Future[Int]，然后进行相关的异步操作。
其中future方法是创建一个future的另一种方法。它将启动一个异步计算并且返回包含计算结果的Future[T]。

Future用于Actor

通常有两种方法来从一个Actor获取回应: 第一种是发送一个消息actor ! msg，这种方法只在发送者是一个Actor时有效；第二种是通过一个Future。
使用Actor的?方法来发送消息会返回一个Future。 要等待并获取结果的最简单方法是:

import scala.concurrent.Await
import akka.pattern.ask
import scala.concurrent.duration._
import akka.util.Timeout

implicit val timeout = Timeout(5 seconds)
val future = actor ? msg
val result = Await.result(future, timeout.duration).asInstanceOf[String]

下面是使用?发送消息给actor，并等待回应的代码示例：

import akka.actor._
import akka.pattern.ask
import akka.util.Timeout
import scala.concurrent.{Await, Future}
import scala.language.postfixOps
import scala.concurrent.duration._

case object AskNameMessage

class TestActor extends Actor {
  def receive = {
    case AskNameMessage => // respond to the 'ask' request
      sender ! "Fred"
    case _ => println("that was unexpected")
  }
}
object AskDemo extends App{
  //create the system and actor
  val system = ActorSystem("AskDemoSystem")
  val myActor = system.actorOf(Props[TestActor], name="myActor")

  // (1) this is one way to "ask" another actor for information
  implicit val timeout = Timeout(5 seconds)
  val future = myActor ? AskNameMessage
  val result = Await.result(future, timeout.duration).asInstanceOf[String]
  println(result)

  // (2) a slightly different way to ask another actor for information
  val future2: Future[String] = ask(myActor, AskNameMessage).mapTo[String]
  val result2 = Await.result(future2, 1 second)
  println(result2)

  system.shutdown
}

代码解释：

1. Await.result(future, timeout.duration).asInstanceOf[String]会导致当前线程被阻塞，并等待actor通过它的应答来完成Future。但是阻塞会导致性能问题，所以是不推荐的。致阻塞的操作位于Await.result和Await.ready中，这样就方便定位阻塞的位置。
2. 还要注意actor返回的Future的类型是Future[Any]，这是因为actor是动态的。 这也是为什么上例中注释(1)使用了asInstanceOf。
3. 在使用非阻塞方式时，最好使用mapTo方法来将Future转换到期望的类型。如果转换成功，mapTo方法会返回一个包含结果的新的 Future，如果不成功，则返回ClassCastException异常。

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