Java中Future接口詳解
一、背景
在系統(tǒng)中，異步執(zhí)行任務(wù)，是很常見的功能邏輯，但是在不同的場景中，又存在很多細(xì)節(jié)差異；
有的任務(wù)只強(qiáng)調(diào)「執(zhí)行過程」，并不需要追溯任務(wù)自身的「執(zhí)行結(jié)果」，這里并不是指對系統(tǒng)和業(yè)務(wù)產(chǎn)生的效果，比如定時(shí)任務(wù)、消息隊(duì)列等場景；
但是有些任務(wù)即強(qiáng)調(diào)「執(zhí)行過程」，又需要追溯任務(wù)自身的「執(zhí)行結(jié)果」，在流程中依賴某個(gè)異步結(jié)果，判斷流程是否中斷，比如「并行」處理；
【串行處理】整個(gè)流程按照邏輯逐步推進(jìn)，如果出現(xiàn)異常會導(dǎo)致流程中斷；
【并行處理】主流程按照邏輯逐步推進(jìn)，其他「異步」交互的流程執(zhí)行完畢后，將結(jié)果返回到主流程，如果「異步」流程異常，會影響部分結(jié)果；
此前在《「訂單」業(yè)務(wù)》的內(nèi)容中，聊過關(guān)于「串行」和「并行」的應(yīng)用對比，即在訂單詳情的加載過程中，通過「并行」的方式讀?。荷唐贰⑸虘?、訂單、用戶等信息，提升接口的響應(yīng)時(shí)間；
二、Future接口
1、入門案例
異步是對流程的解耦，但是有的流程中又依賴異步執(zhí)行的最終結(jié)果，此時(shí)就可以使用「Future」接口來達(dá)到該目的，先來看一個(gè)簡單的入門案例；
public class ServerTask implements Callable<Integer> {
@Override
public Integer call() throws Exception {
Thread.sleep(2000);
return 3;
}
}
public class FutureBase01 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
TimeInterval timer = DateUtil.timer();
// 線程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 批量任務(wù)
List<ServerTask> serverTasks = new ArrayList<>() ;
for (int i=0;i<3;i++){
serverTasks.add(new ServerTask());
}
List<Future<Integer>> taskResList = executor.invokeAll(serverTasks) ;
// 結(jié)果輸出
for (Future<Integer> intFuture:taskResList){
System.out.println(intFuture.get());
}
// 耗時(shí)統(tǒng)計(jì)
System.out.println("timer...interval = "+timer.interval());
}
}這里模擬一個(gè)場景，以線程池批量執(zhí)行異步任務(wù)，在任務(wù)內(nèi)線程休眠2秒，以并行的方式最終獲取全部結(jié)果，只耗時(shí)2秒多一點(diǎn)，如果串行的話耗時(shí)肯定超過6秒；
2、Future接口
Future表示異步計(jì)算的結(jié)果，提供了用于檢查計(jì)算是否完成、等待計(jì)算完成、以及檢索計(jì)算結(jié)果的方法。
【核心方法】
get()：等待任務(wù)完成，獲取執(zhí)行結(jié)果，如果任務(wù)取消會拋出異常；get(long timeout, TimeUnit unit)：指定等待任務(wù)完成的時(shí)間，等待超時(shí)會拋出異常；isDone()：判斷任務(wù)是否完成；isCancelled()：判斷任務(wù)是否被取消；cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：嘗試取消此任務(wù)的執(zhí)行，如果任務(wù)已經(jīng)完成、已經(jīng)取消或由于其他原因無法取消，則此嘗試將失敗；
【基礎(chǔ)用法】
public class FutureBase02 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 線程池執(zhí)行任務(wù)
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
Thread.sleep(3000);
return "task...OK";
}
}) ;
executor.execute(futureTask);
// 任務(wù)信息獲取
System.out.println("是否完成："+futureTask.isDone());
System.out.println("是否取消："+futureTask.isCancelled());
System.out.println("獲取結(jié)果："+futureTask.get());
System.out.println("嘗試取消："+futureTask.cancel(Boolean.TRUE));
}
}【FutureTask】
Future接口的基本實(shí)現(xiàn)類，提供了計(jì)算的啟動和取消、查詢計(jì)算是否完成以及檢索計(jì)算結(jié)果的方法；
在「FutureTask」類中，可以看到線程異步執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其中的核心狀態(tài)轉(zhuǎn)換，以及最終結(jié)果寫出的方式；
雖然「Future」從設(shè)計(jì)上，實(shí)現(xiàn)了異步計(jì)算的結(jié)果獲取，但是通過上面的案例也可以發(fā)現(xiàn)，流程的主線程在執(zhí)行get()方法時(shí)會阻塞，直到最終獲取結(jié)果，顯然對于程序來說并不友好；
在JDK1.8提供「CompletableFuture」類，對「Future」進(jìn)行優(yōu)化和擴(kuò)展；
三、CompletableFuture類
1、基礎(chǔ)說明
「CompletableFuture」類提供函數(shù)編程的能力，可以通過回調(diào)的方式處理計(jì)算結(jié)果，并且支持組合操作，提供很多方法來實(shí)現(xiàn)異步編排，降低異步編程的復(fù)雜度；
「CompletableFuture」實(shí)現(xiàn)「Future」和「CompletionStage」兩個(gè)接口；
- Future：表示異步計(jì)算的結(jié)果；
- CompletionStage：表示異步計(jì)算的一個(gè)步驟，當(dāng)一個(gè)階段計(jì)算完成時(shí)，可能會觸發(fā)其他階段，即步驟可能由其他CompletionStage觸發(fā)；
【入門案例】
public class CompletableBase01 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 線程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 任務(wù)執(zhí)行
CompletableFuture<String> cft = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "Res...OK";
}, executor);
// 結(jié)果輸出
System.out.println(cft.get());
}
}2、核心方法
2.1 實(shí)例方法
public class Completable01 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 線程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 1、創(chuàng)建未完成的CompletableFuture，通過complete()方法完成
CompletableFuture<Integer> cft01 = new CompletableFuture<>() ;
cft01.complete(99) ;
// 2、創(chuàng)建已經(jīng)完成CompletableFuture，并且給定結(jié)果
CompletableFuture<String> cft02 = CompletableFuture.completedFuture("given...value");
// 3、有返回值，默認(rèn)ForkJoinPool線程池
CompletableFuture<String> cft03 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {return "OK-3";});
// 4、有返回值，采用Executor自定義線程池
CompletableFuture<String> cft04 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {return "OK-4";},executor);
// 5、無返回值，默認(rèn)ForkJoinPool線程池
CompletableFuture<Void> cft05 = CompletableFuture.runAsync(() -> {});
// 6、無返回值，采用Executor自定義線程池
CompletableFuture<Void> cft06 = CompletableFuture.runAsync(()-> {}, executor);
}
}2.2 計(jì)算方法
public class Completable02 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 線程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
CompletableFuture<String> cft01 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "OK";
},executor);
// 1、計(jì)算完成后，執(zhí)行后續(xù)處理
// cft01.whenComplete((res, ex) -> System.out.println("Result："+res+"；Exe："+ex));
// 2、觸發(fā)計(jì)算，如果沒有完成，則get設(shè)定的值，如果已完成，則get任務(wù)返回值
// boolean completeFlag = cft01.complete("given...value");
// if (completeFlag){
// System.out.println(cft01.get());
// } else {
// System.out.println(cft01.get());
// }
// 3、開啟新CompletionStage，重新獲取線程執(zhí)行任務(wù)
cft01.whenCompleteAsync((res, ex) -> System.out.println("Result："+res+"；Exe："+ex),executor);
}
}2.3 結(jié)果獲取方法
public class Completable03 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 線程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
CompletableFuture<String> cft01 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "Res...OK";
},executor);
// 1、阻塞直到獲取結(jié)果
// System.out.println(cft01.get());
// 2、設(shè)定超時(shí)的阻塞獲取結(jié)果
// System.out.println(cft01.get(4, TimeUnit.SECONDS));
// 3、非阻塞獲取結(jié)果，如果任務(wù)已經(jīng)完成，則返回結(jié)果，如果任務(wù)未完成，返回給定的值
// System.out.println(cft01.getNow("given...value"));
// 4、get獲取拋檢查異常，join獲取非檢查異常
System.out.println(cft01.join());
}
}
2.4 任務(wù)編排方法
public class Completable04 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 線程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
CompletableFuture<String> cft01 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("OK-1");
return "OK";
},executor);
// 1、cft01任務(wù)執(zhí)行完成后，執(zhí)行之后的任務(wù)，此處不關(guān)注cft01的結(jié)果
// cft01.thenRun(() -> System.out.println("task...run")) ;
// 2、cft01任務(wù)執(zhí)行完成后，執(zhí)行之后的任務(wù)，可以獲取cft01的結(jié)果
// cft01.thenAccept((res) -> {
// System.out.println("cft01："+res);
// System.out.println("task...run");
// });
// 3、cft01任務(wù)執(zhí)行完成后，執(zhí)行之后的任務(wù)，獲取cft01的結(jié)果，并且具有返回值
// CompletableFuture<Integer> cft02 = cft01.thenApply((res) -> {
// System.out.println("cft01："+res);
// return 99 ;
// });
// System.out.println(cft02.get());
// 4、順序執(zhí)行cft01、cft02
// CompletableFuture<String> cft02 = cft01.thenCompose((res) -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// System.out.println("cft01："+res);
// return "OK-2";
// }));
// cft02.whenComplete((res,ex) -> System.out.println("Result："+res+"；Exe："+ex));
// 5、對比任務(wù)的執(zhí)行效率，由于cft02先完成，所以取cft02的結(jié)果
// CompletableFuture<String> cft02 = cft01.applyToEither(CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// System.out.println("run...cft02");
// try {
// Thread.sleep(3000);
// } catch (InterruptedException e) {
// e.printStackTrace();
// }
// return "OK-2";
// }),(res) -> {
// System.out.println("either...result：" + res);
// return res;
// });
// System.out.println("finally...result：" + cft02.get());
// 6、兩組任務(wù)執(zhí)行完成后，對結(jié)果進(jìn)行合并
// CompletableFuture<String> cft02 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "OK-2") ;
// String finallyRes = cft01.thenCombine(cft02,(res1,res2) -> {
// System.out.println("res1："+res1+"；res2："+res2);
// return res1+"；"+res2 ;
// }).get();
// System.out.println(finallyRes);
CompletableFuture<String> cft02 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
System.out.println("OK-2");
return "OK-2";
}) ;
CompletableFuture<String> cft03 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
System.out.println("OK-3");
return "OK-3";
}) ;
// 7、等待批量任務(wù)執(zhí)行完返回
// CompletableFuture.allOf(cft01,cft02,cft03).get();
// 8、任意一個(gè)任務(wù)執(zhí)行完即返回
System.out.println("Sign："+CompletableFuture.anyOf(cft01,cft02,cft03).get());
}
}
2.5 異常處理方法
public class Completable05 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 線程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
CompletableFuture<String> cft01 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
if (1 > 0){
throw new RuntimeException("task...exception");
}
return "OK";
},executor);
// 1、捕獲cft01的異常信息，并提供返回值
String finallyRes = cft01.thenApply((res) -> {
System.out.println("cft01-res：" + res);
return res;
}).exceptionally((ex) -> {
System.out.println("cft01-exe：" + ex.getMessage());
return "error" ;
}).get();
System.out.println("finallyRes="+finallyRes);
CompletableFuture<String> cft02 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "OK-2";
},executor);
// 2、如果cft02未完成，則get時(shí)拋出指定異常信息
boolean exeFlag = cft02.completeExceptionally(new RuntimeException("given...exception"));
if (exeFlag){
System.out.println(cft02.get());
} else {
System.out.println(cft02.get());
}
}
}
3、線程池問題
- 在實(shí)踐中，通常不使用
ForkJoinPool#commonPool()公共線程池，會出現(xiàn)線程競爭問題，從而形成系統(tǒng)瓶頸； - 在任務(wù)編排中，如果出現(xiàn)依賴情況或者父子任務(wù)，盡量使用多個(gè)線程池，從而避免任務(wù)請求同一個(gè)線程池，規(guī)避死鎖情況發(fā)生；
四、CompletableFuture原理
1、核心結(jié)構(gòu)
在分析「CompletableFuture」其原理之前，首先看一下涉及的核心結(jié)構(gòu)；
【CompletableFuture】
在該類中有兩個(gè)關(guān)鍵的字段：「result」存儲當(dāng)前CF的結(jié)果，「stack」代表?xiàng)ｍ斣兀串?dāng)前CF計(jì)算完成后會觸發(fā)的依賴動作；從上面案例中可知，依賴動作可以沒有或者有多個(gè)；
【Completion】
依賴動作的封裝類；
【UniCompletion】
繼承Completion類，一元依賴的基礎(chǔ)類，「executor」指線程池，「dep」指依賴的計(jì)算，「src」指源動作；
【BiCompletion】
繼承UniCompletion類，二元或者多元依賴的基礎(chǔ)類，「snd」指第二個(gè)源動作；
2、零依賴
顧名思義，即各個(gè)CF之間不產(chǎn)生依賴關(guān)系；
public class DepZero {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
CompletableFuture<String> cft1 = CompletableFuture.supplyAsync(()-> "OK-1",executor);
CompletableFuture<String> cft2 = CompletableFuture.supplyAsync(()-> "OK-2",executor);
System.out.println(cft1.get()+";"+cft2.get());
}
}3、一元依賴
即CF之間的單個(gè)依賴關(guān)系；這里使用「thenApply」方法演示，為了看到效果，使「cft1」長時(shí)間休眠，斷點(diǎn)查看「stack」結(jié)構(gòu)；
public class DepOne {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
CompletableFuture<String> cft1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(30000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "OK-1";
},executor);
CompletableFuture<String> cft2 = cft1.thenApply(res -> {
System.out.println("cft01-res"+res);
return "OK-2" ;
});
System.out.println("cft02-res"+cft2.get());
}
}斷點(diǎn)截圖：
原理分析：
觀察者Completion注冊到「cft1」，注冊時(shí)會檢查計(jì)算是否完成，未完成則觀察者入棧，當(dāng)「cft1」計(jì)算完成會彈棧；已完成則直接觸發(fā)觀察者；
可以調(diào)整斷點(diǎn)代碼，讓「cft1」先處于完成狀態(tài)，再查看其運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)，從而分析完整的邏輯；
4、二元依賴
即一個(gè)CF同時(shí)依賴兩個(gè)CF；這里使用「thenCombine」方法演示；為了看到效果，使「cft1、cft2」長時(shí)間休眠，斷點(diǎn)查看「stack」結(jié)構(gòu)；
public class DepTwo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
CompletableFuture<String> cft1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(30000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "OK-1";
},executor);
CompletableFuture<String> cft2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(30000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "OK-2";
},executor);
// cft3 依賴 cft1和cft2 的計(jì)算結(jié)果
CompletableFuture<String> cft3 = cft1.thenCombine(cft2,(res1,res2) -> {
System.out.println("cft01-res:"+res1);
System.out.println("cft02-res:"+res2);
return "OK-3" ;
});
System.out.println("cft03-res:"+cft3.get());
}
}
斷點(diǎn)截圖：
原理分析：
在「cft1」和「cft2」未完成的狀態(tài)下，嘗試將BiApply壓入「cft1」和「cft2」兩個(gè)棧中，任意CF完成時(shí)，會嘗試觸發(fā)觀察者，觀察者檢查「cft1」和「cft2」是否都完成，如果完成則執(zhí)行；
5、多元依賴
即一個(gè)CF同時(shí)依賴多個(gè)CF；這里使用「allOf」方法演示；為了看到效果，使「cft1、cft2、cft3」長時(shí)間休眠，斷點(diǎn)查看「stack」結(jié)構(gòu)；
public class DepMore {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
CompletableFuture<String> cft1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(30000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "OK-1";
},executor);
CompletableFuture<String> cft2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(30000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "OK-2";
},executor);
CompletableFuture<String> cft3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(30000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "OK-3";
},executor);
// cft4 依賴 cft1和cft2和cft3 的計(jì)算結(jié)果
CompletableFuture<Void> cft4 = CompletableFuture.allOf(cft1,cft2,cft3);
CompletableFuture<String> finallyRes = cft4.thenApply(tm -> {
System.out.println("cft01-res:"+cft1.join());
System.out.println("cft02-res:"+cft2.join());
System.out.println("cft03-res:"+cft3.join());
return "OK-4";
});
System.out.println("finally-res:"+finallyRes.get());
}
}
斷點(diǎn)截圖：
原理分析：
多元依賴的回調(diào)方法除了「allOf」還有「anyOf」，其實(shí)現(xiàn)原理都是將依賴的多個(gè)CF補(bǔ)全為平衡二叉樹，從斷點(diǎn)圖可知會按照樹的層級處理，核心結(jié)構(gòu)參考二元依賴即可；
五、參考源碼
編程文檔： https://gitee.com/cicadasmile/butte-java-note
應(yīng)用倉庫： https://gitee.com/cicadasmile/butte-flyer-parent
Gitee主頁： https://gitee.com/cicadasmile/butte-java-note
到此這篇關(guān)于Java中Future接口詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java中Future接口內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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