彻底理解Java的Future模式
作者：互联网
先上一个场景：假如你突然想做饭，但是没有厨具，也没有食材。网上购买厨具比较方便，食材去超市买更放心。
实现分析：在快递员送厨具的期间，我们肯定不会闲着，可以去超市买食材。所以，在主线程里面另起一个子线程去网购厨具。
但是，子线程执行的结果是要返回厨具的，而run方法是没有返回值的。所以，这才是难点，需要好好考虑一下。
模拟代码1：
package test;
public class CommonCook {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
long startTime = System.currentTimeMillis();
// 第一步 网购厨具
OnlineShopping thread = new OnlineShopping();
thread.start();
thread.join(); // 保证厨具送到
// 第二步 去超市购买食材
Thread.sleep(2000); // 模拟购买食材时间
Shicai shicai = new Shicai();
System.out.println("第二步：食材到位");
// 第三步 用厨具烹饪食材
System.out.println("第三步：开始展现厨艺");
cook(thread.chuju, shicai);
System.out.println("总共用时" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
}
// 网购厨具线程
static class OnlineShopping extends Thread {
private Chuju chuju;
@Override
public void run() {
System.out.println("第一步：下单");
System.out.println("第一步：等待送货");
try {
Thread.sleep(5000); // 模拟送货时间
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("第一步：快递送到");
chuju = new Chuju();
}
}
// 用厨具烹饪食材
static void cook(Chuju chuju, Shicai shicai) {}
// 厨具类
static class Chuju {}
// 食材类
static class Shicai {}
}
运行结果：
第一步：下单 第一步：等待送货 第一步：快递送到 第二步：食材到位 第三步：开始展现厨艺 总共用时7013ms
可以看到，多线程已经失去了意义。在厨具送到期间，我们不能干任何事。对应代码，就是调用join方法阻塞主线程。
有人问了，不阻塞主线程行不行？？？
不行！！！
从代码来看的话，run方法不执行完，属性chuju就没有被赋值，还是null。换句话说，没有厨具，怎么做饭。
Java现在的多线程机制，核心方法run是没有返回值的；如果要保存run方法里面的计算结果，必须等待run方法计算完，无论计算过程多么耗时。
面对这种尴尬的处境，程序员就会想：在子线程run方法计算的期间，能不能在主线程里面继续异步执行？？？
Where there is a will，there is a way！！！
这种想法的核心就是Future模式，下面先应用一下Java自己实现的Future模式。
模拟代码2：
package test;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
public class FutureCook {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
long startTime = System.currentTimeMillis();
// 第一步 网购厨具
Callable<Chuju> onlineShopping = new Callable<Chuju>() {
@Override
public Chuju call() throws Exception {
System.out.println("第一步：下单");
System.out.println("第一步：等待送货");
Thread.sleep(5000); // 模拟送货时间
System.out.println("第一步：快递送到");
return new Chuju();
}
};
FutureTask<Chuju> task = new FutureTask<Chuju>(onlineShopping);
new Thread(task).start();
// 第二步 去超市购买食材
Thread.sleep(2000); // 模拟购买食材时间
Shicai shicai = new Shicai();
System.out.println("第二步：食材到位");
// 第三步 用厨具烹饪食材
if (!task.isDone()) { // 联系快递员，询问是否到货
System.out.println("第三步：厨具还没到，心情好就等着（心情不好就调用cancel方法取消订单）");
}
Chuju chuju = task.get();
System.out.println("第三步：厨具到位，开始展现厨艺");
cook(chuju, shicai);
System.out.println("总共用时" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
}
// 用厨具烹饪食材
static void cook(Chuju chuju, Shicai shicai) {}
// 厨具类
static class Chuju {}
// 食材类
static class Shicai {}
}
运行结果：
第一步：下单 第一步：等待送货 第二步：食材到位 第三步：厨具还没到，心情好就等着（心情不好就调用cancel方法取消订单） 第一步：快递送到 第三步：厨具到位，开始展现厨艺 总共用时5005ms
可以看见，在快递员送厨具的期间，我们没有闲着，可以去买食材；而且我们知道厨具到没到，甚至可以在厨具没到的时候，取消订单不要了。
好神奇，有没有。
下面具体分析一下第二段代码：
1）把耗时的网购厨具逻辑，封装到了一个Callable的call方法里面。
public interface Callable<V> {
/**
* Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
*
* @return computed result
* @throws Exception if unable to compute a result
*/
V call() throws Exception;
}
Callable接口可以看作是Runnable接口的补充，call方法带有返回值，并且可以抛出异常。
2）把Callable实例当作参数，生成一个FutureTask的对象，然后把这个对象当作一个Runnable，作为参数另起线程。
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V>
public interface Future<V> {
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
boolean isCancelled();
boolean isDone();
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
这个继承体系中的核心接口是Future。Future的核心思想是：一个方法f，计算过程可能非常耗时，等待f返回，显然不明智。可以在调用f的时候，立马返回一个Future，可以通过Future这个数据结构去控制方法f的计算过程。
这里的控制包括：
get方法：获取计算结果（如果还没计算完，也是必须等待的）
cancel方法：还没计算完，可以取消计算过程
isDone方法：判断是否计算完
isCancelled方法：判断计算是否被取消
这些接口的设计很完美，FutureTask的实现注定不会简单，后面再说。
3）在第三步里面，调用了isDone方法查看状态，然后直接调用task.get方法获取厨具，不过这时还没送到，所以还是会等待3秒。对比第一段代码的执行结果，这里我们节省了2秒。这是因为在快递员送货期间，我们去超市购买食材，这两件事在同一时间段内异步执行。
通过以上3步，我们就完成了对Java原生Future模式最基本的应用。下面具体分析下FutureTask的实现，先看JDK8的，再比较一下JDK6的实现。
既然FutureTask也是一个Runnable，那就看看它的run方法
public void run() {
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return;
try {
Callable<V> c = callable; // 这里的callable是从构造方法里面传人的
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
setException(ex); // 保存call方法抛出的异常
}
if (ran)
set(result); // 保存call方法的执行结果
}
} finally {
// runner must be non-null until state is settled to
// prevent concurrent calls to run()
runner = null;
// state must be re-read after nulling runner to prevent
// leaked interrupts
int s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
}
先看try语句块里面的逻辑，发现run方法的主要逻辑就是运行Callable的call方法，然后将保存结果或者异常（用的一个属性result）。这里比较难想到的是，将call方法抛出的异常也保存起来了。
这里表示状态的属性state是个什么鬼
* 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;
把FutureTask看作一个Future，那么它的作用就是控制Callable的call方法的执行过程，在执行的过程中自然会有状态的转换：
1）一个FutureTask新建出来，state就是NEW状态；COMPETING和INTERRUPTING用的进行时，表示瞬时状态，存在时间极短(为什么要设立这种状态？？？不解)；NORMAL代表顺利完成；EXCEPTIONAL代表执行过程出现异常；CANCELED代表执行过程被取消；INTERRUPTED被中断
2）执行过程顺利完成：NEW -> COMPLETING -> NORMAL
3）执行过程出现异常：NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
4）执行过程被取消：NEW -> CANCELLED
5）执行过程中，线程中断：NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
代码中状态判断、CAS操作等细节，请读者自己阅读。
再看看get方法的实现：
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException {
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
WaitNode q = null;
boolean queued = false;
for (;;) {
if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}
int s = state;
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
else if (q == null)
q = new WaitNode();
else if (!queued)
queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q.next = waiters, q);
else if (timed) {
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
removeWaiter(q);
return state;
}
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
else
LockSupport.park(this);
}
}
get方法的逻辑很简单，如果call方法的执行过程已完成，就把结果给出去；如果未完成，就将当前线程挂起等待。awaitDone方法里面死循环的逻辑，推演几遍就能弄懂；它里面挂起线程的主要创新是定义了WaitNode类，来将多个等待线程组织成队列，这是与JDK6的实现最大的不同。
挂起的线程何时被唤醒：
private void finishCompletion() {
// assert state > COMPLETING;
for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
for (;;) {
Thread t = q.thread;
if (t != null) {
q.thread = null;
LockSupport.unpark(t); // 唤醒线程
}
WaitNode next = q.next;
if (next == null)
break;
q.next = null; // unlink to help gc
q = next;
}
break;
}
}
done();
callable = null; // to reduce footprint
}
以上就是JDK8的大体实现逻辑，像cancel、set等方法，也请读者自己阅读。
再来看看JDK6的实现。
JDK6的FutureTask的基本操作都是通过自己的内部类Sync来实现的，而Sync继承自AbstractQueuedSynchronizer这个出镜率极高的并发工具类
/** State value representing that task is running */
private static final int RUNNING = 1;
/** State value representing that task ran */
private static final int RAN = 2;
/** State value representing that task was cancelled */
private static final int CANCELLED = 4;
/** The underlying callable */
private final Callable<V> callable;
/** The result to return from get() */
private V result;
/** The exception to throw from get() */
private Throwable exception;
里面的状态只有基本的几个，而且计算结果和异常是分开保存的。
V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException {
acquireSharedInterruptibly(0);
if (getState() == CANCELLED)
throw new CancellationException();
if (exception != null)
throw new ExecutionException(exception);
return result;
}
这个get方法里面处理等待线程队列的方式是调用了acquireSharedInterruptibly方法，看过我之前几篇博客文章的读者应该非常熟悉了。其中的等待线程队列、线程挂起和唤醒等逻辑，这里不再赘述，如果不明白，请出门左转。
最后来看看，Future模式衍生出来的更高级的应用。
再上一个场景：我们自己写一个简单的数据库连接池，能够复用数据库连接，并且能在高并发情况下正常工作。
实现代码1：
package test;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
public class ConnectionPool {
private ConcurrentHashMap<String, Connection> pool = new ConcurrentHashMap<String, Connection>();
public Connection getConnection(String key) {
Connection conn = null;
if (pool.containsKey(key)) {
conn = pool.get(key);
} else {
conn = createConnection();
pool.putIfAbsent(key, conn);
}
return conn;
}
public Connection createConnection() {
return new Connection();
}
class Connection {}
}
我们用了ConcurrentHashMap，这样就不必把getConnection方法置为synchronized(当然也可以用Lock)，当多个线程同时调用getConnection方法时，性能大幅提升。
貌似很完美了，但是有可能导致多余连接的创建，推演一遍：
某一时刻，同时有3个线程进入getConnection方法，调用pool.containsKey(key)都返回false，然后3个线程各自都创建了连接。虽然ConcurrentHashMap的put方法只会加入其中一个，但还是生成了2个多余的连接。如果是真正的数据库连接，那会造成极大的资源浪费。
所以，我们现在的难点是：如何在多线程访问getConnection方法时，只执行一次createConnection。
结合之前Future模式的实现分析：当3个线程都要创建连接的时候，如果只有一个线程执行createConnection方法创建一个连接，其它2个线程只需要用这个连接就行了。再延伸，把createConnection方法放到一个Callable的call方法里面，然后生成FutureTask。我们只需要让一个线程执行FutureTask的run方法，其它的线程只执行get方法就好了。
上代码：
package test;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
public class ConnectionPool {
private ConcurrentHashMap<String, FutureTask<Connection>> pool = new ConcurrentHashMap<String, FutureTask<Connection>>();
public Connection getConnection(String key) throws InterruptedException, ExecutionException {
FutureTask<Connection> connectionTask = pool.get(key);
if (connectionTask != null) {
return connectionTask.get();
} else {
Callable<Connection> callable = new Callable<Connection>() {
@Override
public Connection call() throws Exception {
return createConnection();
}
};
FutureTask<Connection> newTask = new FutureTask<Connection>(callable);
connectionTask = pool.putIfAbsent(key, newTask);
if (connectionTask == null) {
connectionTask = newTask;
connectionTask.run();
}
return connectionTask.get();
}
}
public Connection createConnection() {
return new Connection();
}
class Connection {
}
}
推演一遍：当3个线程同时进入else语句块时，各自都创建了一个FutureTask，但是ConcurrentHashMap只会加入其中一个。第一个线程执行pool.putIfAbsent方法后返回null，然后connectionTask被赋值，接着就执行run方法去创建连接，最后get。后面的线程执行pool.putIfAbsent方法不会返回null，就只会执行get方法。
在并发的环境下，通过FutureTask作为中间转换，成功实现了让某个方法只被一个线程执行。
就这么多吧，真是呕心沥血啊！！！哈哈
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