彻底理解Java的Future模式
本文内容纲要：
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：
packagetest;
publicclassCommonCook{
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{
longstartTime=System.currentTimeMillis();
//第一步网购厨具
OnlineShoppingthread=newOnlineShopping();
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
Shicaishicai=newShicai();
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
staticclassOnlineShoppingextendsThread{
privateChujuchuju;
@Override
publicvoidrun(){
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(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("第一步：快递送到");
chuju=newChuju();
}
}
//用厨具烹饪食材
staticvoidcook(Chujuchuju,Shicaishicai){}
//厨具类
staticclassChuju{}
//食材类
staticclassShicai{}
}
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？？？
Wherethereisawill，thereisaway！！！
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：
packagetest;
importjava.util.concurrent.Callable;
importjava.util.concurrent.ExecutionException;
importjava.util.concurrent.FutureTask;
publicclassFutureCook{
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException,ExecutionException{
longstartTime=System.currentTimeMillis();
//第一步网购厨具
Callable<Chuju>onlineShopping=newCallable<Chuju>(){
@Override
publicChujucall()throwsException{
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");
returnnewChuju();
}
};
FutureTask<Chuju>task=newFutureTask<Chuju>(onlineShopping);
newThread(task).start();
//第二步去超市购买食材
Thread.sleep(2000);//模拟购买食材时间
Shicaishicai=newShicai();
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）");
}
Chujuchuju=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
staticvoidcook(Chujuchuju,Shicaishicai){}
//厨具类
staticclassChuju{}
//食材类
staticclassShicai{}
}
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。
publicinterfaceCallable<V>{
/**
*Computesaresult,orthrowsanexceptionifunabletodoso.
*
*@returncomputedresult
*@throwsExceptionifunabletocomputearesult
*/
Vcall()throwsException;
}
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。
publicclassFutureTask<V>implementsRunnableFuture<V>
publicinterfaceRunnableFuture<V>extendsRunnable,Future<V>
publicinterfaceFuture<V>{
booleancancel(booleanmayInterruptIfRunning);
booleanisCancelled();
booleanisDone();
Vget()throwsInterruptedException,ExecutionException;
Vget(longtimeout,TimeUnitunit)
throwsInterruptedException,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
publicvoidrun(){
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){
Vresult;
booleanran;
try{
result=c.call();
ran=true;
}catch(Throwableex){
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{
//runnermustbenon-nulluntilstateissettledto
//preventconcurrentcallstorun()
runner=null;
//statemustbere-readafternullingrunnertoprevent
//leakedinterrupts
ints=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
*Possiblestatetransitions:
*NEW->COMPLETING->NORMAL
*NEW->COMPLETING->EXCEPTIONAL
*NEW->CANCELLED
*NEW->INTERRUPTING->INTERRUPTED
*/
privatevolatileintstate;
privatestaticfinalintNEW=0;
privatestaticfinalintCOMPLETING=1;
privatestaticfinalintNORMAL=2;
privatestaticfinalintEXCEPTIONAL=3;
privatestaticfinalintCANCELLED=4;
privatestaticfinalintINTERRUPTING=5;
privatestaticfinalintINTERRUPTED=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：
publicVget()throwsInterruptedException,ExecutionException{
ints=state;
if(s<=COMPLETING)
s=awaitDone(false,0L);
returnreport(s);
}
privateintawaitDone(booleantimed,longnanos)
throwsInterruptedException{
finallongdeadline=timed?System.nanoTime()+nanos:0L;
WaitNodeq=null;
booleanqueued=false;
for(;;){
if(Thread.interrupted()){
removeWaiter(q);
thrownewInterruptedException();
}
ints=state;
if(s>COMPLETING){
if(q!=null)
q.thread=null;
returns;
}
elseif(s==COMPLETING)//cannottimeoutyet
Thread.yield();
elseif(q==null)
q=newWaitNode();
elseif(!queued)
queued=UNSAFE.compareAndSwapObject(this,waitersOffset,
q.next=waiters,q);
elseif(timed){
nanos=deadline-System.nanoTime();
if(nanos<=0L){
removeWaiter(q);
returnstate;
}
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：
privatevoidfinishCompletion(){
//assertstate>COMPLETING;
for(WaitNodeq;(q=waiters)!=null;){
if(UNSAFE.compareAndSwapObject(this,waitersOffset,q,null)){
for(;;){
Threadt=q.thread;
if(t!=null){
q.thread=null;
LockSupport.unpark(t);//唤醒线程
}
WaitNodenext=q.next;
if(next==null)
break;
q.next=null;//unlinktohelpgc
q=next;
}
break;
}
}
done();
callable=null;//toreducefootprint
}
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
/**Statevaluerepresentingthattaskisrunning*/
privatestaticfinalintRUNNING=1;
/**Statevaluerepresentingthattaskran*/
privatestaticfinalintRAN=2;
/**Statevaluerepresentingthattaskwascancelled*/
privatestaticfinalintCANCELLED=4;
/**Theunderlyingcallable*/
privatefinalCallable<V>callable;
/**Theresulttoreturnfromget()*/
privateVresult;
/**Theexceptiontothrowfromget()*/
privateThrowableexception;
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。
VinnerGet()throwsInterruptedException,ExecutionException{
acquireSharedInterruptibly(0);
if(getState()==CANCELLED)
thrownewCancellationException();
if(exception!=null)
thrownewExecutionException(exception);
returnresult;
}
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：
packagetest;
importjava.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
publicclassConnectionPool{
privateConcurrentHashMap<String,Connection>pool=newConcurrentHashMap<String,Connection>();
publicConnectiongetConnection(Stringkey){
Connectionconn=null;
if(pool.containsKey(key)){
conn=pool.get(key);
}else{
conn=createConnection();
pool.putIfAbsent(key,conn);
}
returnconn;
}
publicConnectioncreateConnection(){
returnnewConnection();
}
classConnection{}
}
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：
packagetest;
importjava.util.concurrent.Callable;
importjava.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
importjava.util.concurrent.ExecutionException;
importjava.util.concurrent.FutureTask;
publicclassConnectionPool{
privateConcurrentHashMap<String,FutureTask<Connection>>pool=newConcurrentHashMap<String,FutureTask<Connection>>();
publicConnectiongetConnection(Stringkey)throwsInterruptedException,ExecutionException{
FutureTask<Connection>connectionTask=pool.get(key);
if(connectionTask!=null){
returnconnectionTask.get();
}else{
Callable<Connection>callable=newCallable<Connection>(){
@Override
publicConnectioncall()throwsException{
returncreateConnection();
}
};
FutureTask<Connection>newTask=newFutureTask<Connection>(callable);
connectionTask=pool.putIfAbsent(key,newTask);
if(connectionTask==null){
connectionTask=newTask;
connectionTask.run();
}
returnconnectionTask.get();
}
}
publicConnectioncreateConnection(){
returnnewConnection();
}
classConnection{
}
}
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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最后这个场景有问题，具体请看下篇文章！！！
本文内容总结：
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