一、前言

在高性能编程中，并发编程已经成为了极为重要的一部分。在单核CPU性能已经趋于极限时，我们只能通过多核来进一步提升系统的性能，因此就催生了并发编程。

由于并发编程比串行编程更困难，也更容易出错，因此，我们就更需要借鉴一些前人优秀的，成熟的设计模式，使得我们的设计更加健壮，更加完美。

而Future模式，正是其中使用最为广泛，也是极为重要的一种设计模式。今天就跟阿丙了解一手Future模式！

首先，JDK内部有一个Future接口，这就是类似前面提到的订单，当然了，作为一个完整的商业化产品，这里的Future的功能更加丰富了，除了get()方法来获得真实数据以外，还提供一组辅助方法，比如：

• cancel()：如果等太久，你可以直接取消这个任务
• isCancelled()：任务是不是已经取消了
• isDone()：任务是不是已经完成了
• get()：有2个get()方法，不带参数的表示无穷等待，或者你可以只等待给定时间

二、生活中的Future模式

为了更快的了解Future模式，我们先来看一个生活中的例子。

场景1：

午饭时间到了，同学们要去吃饭了，小王下楼，走了20分钟，来到了肯德基，点餐，排队，吃饭一共花了20分钟，又花了20分钟走回公司继续工作，合计1小时。

场景2

午饭时间到了，同学们要去吃饭了，小王点了个肯德基外卖，很快，它就拿到了一个订单（虽然订单不能当饭吃，但是有了订单，还怕吃不上饭嘛）。接着小王可以继续干活，30分钟后，外卖到了，接着小王花了10分钟吃饭，接着又可以继续工作了，成功的卷到了隔壁的小汪。

很明显，在这2个场景中，小王的工作时间更加紧凑，特别是那些排队的时间都可以让外卖员去干，因此可以更加专注于自己的本职工作。聪明的你应该也已经体会到了，场景1就是典型的函数同步调用，而场景2是典型的异步调用。

而场景2的异步调用，还有一个特点，就是它拥有一个返回值，这个返回值就是我们的订单。这个订单很重要，凭借着这个订单，我们才能够取得当前这个调用所对应的结果。

这里的订单就如同Future模式中的Future，这是一个合约，一份承诺。虽然订单不能吃，但是手握订单，不怕没吃的，虽然Future不是我们想要的结果，但是拿着Future就能在将来得到我们想要的结果。

因此，Future模式很好的解决了那些需要返回值的异步调用。

三、Future模式中的主要角色

一个典型的Future模式由以下几个部分组成：

• Main：系统启动，调用Client发出请求
• Client：返回Data对象，立即返回FutureData，并开启ClientThread线程装配RealData
• Data：返回数据的接口
• FutureData：Future数据，构造很快，但是是一个虚拟的数据，需要装配RealData，好比一个订单
• RealData：真实数据，其构造是比较慢的，好比上面例子中的肯德基午餐。

它们之间的相互关系如下图：

其中，值得注意是Data，RealData和FutureData。这是一组典型的代理模式，Data接口表示对外数据，RealData表示真实的数据，就好比午餐，获得它的成本比较高，需要很多时间；相对的FutureData作为RealData的代理，类似于一个订单/契约，通过FutureData，可以在将来获得RealData。

因此，Future模式本质上是代理模式的一种实际应用。

四、实现一个简单的Future模式

根据上面的设计，让我们来实现一个简单的代理模式吧！

首先是Data接口，代表数据：

public interface Data {

public String getResult ();

}

接着是FutureData，也是整个Future模式的核心：

public class FutureData implements Data {

// 内部需要维护RealData

protected RealData realdata = null;

protected boolean isReady = false;

public synchronized void setRealData(RealData realdata) {

if (isReady) {

return;

}

this.realdata = realdata;

isReady = true;

//RealData已经被注入，通知getResult()

notifyAll();

}

//会等待RealData构造完成

public synchronized String getResult() {

while (!isReady) {

try {

//一直等待，直到RealData被注入

wait();

} catch (InterruptedException e) {

}

}

//真正需要的数据从RealData获取

return realdata.result;

}

}

下面是RealData：

public class RealData implements Data {

protected final String result;

public RealData(String para) {

StringBuffer sb=new StringBuffer();

//假设这里很慢很慢，构造RealData不是一个容易的事

result =sb.toString();

}

public String getResult() {

return result;

}

}

然后从Client得到Data：

public class Client {

//这是一个异步方法，返回的Data接口是一个Future

public Data request(final String queryStr) {

final FutureData future = new FutureData();

new Thread() {

public void run() {

// RealData的构建很慢，所以在单独的线程中进行

RealData realdata = new RealData(queryStr);

//setRealData()的时候会notify()等待在这个future上的对象

future.setRealData(realdata);

}

}.start();

// FutureData会被立即返回，不会等待RealData被构造完

return future;

}

}

最后一个Main函数，把所有一切都串起来：

public static void main(String[] args) {

Client client = new Client();

//这里会立即返回，因为得到的是FutureData而不是RealData

Data data = client.request(“name”);

System.out.println(“请求完毕”);

try {

//这里可以用一个sleep代替了对其他业务逻辑的处理

//在处理这些业务逻辑的过程中，RealData被创建，从而充分利用了等待时间

Thread.sleep(2000);

} catch (InterruptedException e) {

}

//使用真实的数据，如果到这里数据还没有准备好，getResult()会等待数据准备完，再返回

System.out.println(“数据 = ” + data.getResult());

}

这是一个最简单的Future模式的实现，虽然简单，但是已经包含了Future模式中最精髓的部分。对大家理解JDK内部的Future对象，有着非常重要的作用。

五、Java中的Future模式

Future模式是如此常用，在JDK内部已经有了比较全面的实现和支持。下面，让我们一起看看JDK内部的Future实现：

首先，JDK内部有一个Future接口，这就是类似前面提到的订单，当然了，作为一个完整的商业化产品，这里的Future的功能更加丰富了，除了get()方法来获得真实数据以外，还提供一组辅助方法，比如：

• cancel()：如果等太久，你可以直接取消这个任务
• isCancelled()：任务是不是已经取消了
• isDone()：任务是不是已经完成了
• get()：有2个get()方法，不带参数的表示无穷等待，或者你可以只等待给定时间

下面代码演示了这个Future的使用方法：

//异步操作 可以用一个线程池

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);

//执行FutureTask，相当于上例中的 client.request(“name”) 发送请求

//在这里开启线程进行RealData的call()执行

Future<String> future = executor.submit(new RealData(“name”));

System.out.println(“请求完毕，数据准备中”);

try {

//这里依然可以做额外的数据操作，这里使用sleep代替其他业务逻辑的处理

Thread.sleep(2000);

} catch (InterruptedException e) {

}

//如果此时call()方法没有执行完成，则依然会等待

System.out.println(“数据 = ” + future.get());

整个使用过程非常简单，下面我们来分析一下executor.submit()里面究竟发生了什么：

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {

if (task == null) throw new NullPointerException();

// 根据Callable对象，创建一个RunnableFuture，这里其实就是FutureTask

RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);

//将ftask推送到线程池

//在新线程中执行的，就是run()方法，在下面的代码中有给出

execute(ftask);

//返回这个Future，将来通过这个Future就可以得到执行的结果

return ftask;

}

protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {

return new FutureTask<T>(callable);

}

最关键的部分在下面，FutureTask作为一个线程单独执行时，会将结果保存到outcome中，并设置任务的状态,下面是FutureTask的run()方法：

从FutureTask中获得结果的实现如下：

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {

int s = state;

//如果没有完成，就等待，回到用park()方法阻塞线程

//同时，所有等待线程会在FutureTask的waiters字段中排队等待

if (s <= COMPLETING)

s = awaitDone(false, 0L);

return report(s);

}

private V report(int s) throws ExecutionException {

//outcome里保存的就是最终的计算结果

Object x = outcome;

if (s == NORMAL)

//正常完成，就返回outcome

return (V)x;

//如果没有正常完成， 比如被用户取消了，或者有异常了，就抛出异常

if (s >= CANCELLED)

throw new CancellationException();

throw new ExecutionException((Throwable)x);

}

六、Future模式的高阶版本—— CompletableFuture

Future模式虽然好用，但也有一个问题，那就是将任务提交给线程后，调用线程并不知道这个任务什么时候执行完，如果执行调用get()方法或者isDone()方法判断，可能会进行不必要的等待，那么系统的吞吐量很难提高。

为了解决这个问题，JDK对Future模式又进行了加强，创建了一个CompletableFuture，它可以理解为Future模式的升级版本，它最大的作用是提供了一个回调机制，可以在任务完成后，自动回调一些后续的处理，这样，整个程序可以把“结果等待”完全给移除了。

下面来看一个简单的例子：

在这个例子中，首先以getPrice()为基础创建一个异步调用，接着，使用thenAccept()方法，设置了一个后续的操作，也就是当getPrice()执行完成后的后续处理。

不难看到，CompletableFuture比一般的Future更具有实用性，因为它可以在Future执行成功后，自动回调进行下一步的操作，因此整个程序不会有任何阻塞的地方（也就是说你不用去到处等待Future的执行，而是让Future执行成功后，自动来告诉你）。

以上面的代码为例，CompletableFuture之所有会有那么神奇的功能，完全得益于AsyncSupply类（由上述代码中的supplyAsync()方法创建）。

AsyncSupply在执行时，如下所示：

public void run() {

CompletableFuture<T> d; Supplier<T> f;

if ((d = dep) != null && (f = fn) != null) {

dep = null; fn = null;

if (d.result == null) {

try {

//这里就是你要执行的异步方法

//结果会被保存下来，放到d.result字段中

d.completeValue(f.get());

} catch (Throwable ex) {

d.completeThrowable(ex);

}

}

//执行成功了，进行后续处理，在这个后续处理中，就会调用thenAccept()中的消费者

//这里就相当于Future完成后的通知

d.postComplete();

}

}

继续看d.postComplete()，这里会调用后续一系列操作

final void postComplete() {

//省略部分代码，重点在tryFire()里

//在tryFire()里，真正触发了后续的调用，也就是thenAccept()中的部分

f = (d = h.tryFire(NESTED)) == null ? this : d;

}

}

}

絮叨

今天，我们主要介绍Future模式，我们从一个最简单的Future模式开始，逐步深入，先后介绍了JDK内部的Future模式实现，以及对Future模式的进化版本CompletableFuture做了简单的介绍。对

于多线程开发而言，Future模式的应用极其广泛，可以说这个模式已经成为了异步开发的基础设施。

好啦如果想了解多线程的更多知识点可以关注我，查看历史文章，我也会持续更新的。