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Java中「Future」接口详解原创

5月前
211055

一、背景

在系统中,异步执行任务,是很常见的功能逻辑,但是在不同的场景中,又存在很多细节差异;

有的任务只强调「执行过程」,并不需要追溯任务自身的「执行结果」,这里并不是指对系统和业务产生的效果,比如定时任务、消息队列等场景;

但是有些任务即强调「执行过程」,又需要追溯任务自身的「执行结果」,在流程中依赖某个异步结果,判断流程是否中断,比如「并行」处理;

串行处理】整个流程按照逻辑逐步推进,如果出现异常会导致流程中断;

并行处理】主流程按照逻辑逐步推进,其他「异步」交互的流程执行完毕后,将结果返回到主流程,如果「异步」流程异常,会影响部分结果;

此前在《「订单」业务》的内容中,聊过关于「串行」和「并行」的应用对比,即在订单详情的加载过程中,通过「并行」的方式读取:商品、商户、订单、用户等信息,提升接口的响应时间;

二、Future接口

1、入门案例

异步是对流程的解耦,但是有的流程中又依赖异步执行的最终结果,此时就可以使用「Future」接口来达到该目的,先来看一个简单的入门案例;

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();
        // 线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
        // 批量任务
        List<ServerTask> serverTasks = new ArrayList<>() ;
        for (int i=0;i<3;i++){
            serverTasks.add(new ServerTask());
        }
        List<Future<Integer>> taskResList = executor.invokeAll(serverTasks) ;
        // 结果输出
        for (Future<Integer> intFuture:taskResList){
            System.out.println(intFuture.get());
        }
        // 耗时统计
        System.out.println("timer...interval = "+timer.interval());
    }
}

这里模拟一个场景,以线程池批量执行异步任务,在任务内线程休眠2秒,以并行的方式最终获取全部结果,只耗时2秒多一点,如果串行的话耗时肯定超过6秒;

2、Future接口

Future表示异步计算的结果,提供了用于检查计算是否完成、等待计算完成、以及检索计算结果的方法。

核心方法

  • get():等待任务完成,获取执行结果,如果任务取消会抛出异常;
  • get(long timeout, TimeUnit unit):指定等待任务完成的时间,等待超时会抛出异常;
  • isDone():判断任务是否完成;
  • isCancelled():判断任务是否被取消;
  • cancel(boolean mayInterruptIfRunning):尝试取消此任务的执行,如果任务已经完成、已经取消或由于其他原因无法取消,则此尝试将失败;

基础用法

public class FutureBase02 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 线程池执行任务
        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);
        // 任务信息获取
        System.out.println("是否完成:"+futureTask.isDone());
        System.out.println("是否取消:"+futureTask.isCancelled());
        System.out.println("获取结果:"+futureTask.get());
        System.out.println("尝试取消:"+futureTask.cancel(Boolean.TRUE));
    }
}

FutureTask

Future接口的基本实现类,提供了计算的启动和取消、查询计算是否完成以及检索计算结果的方法;

在「FutureTask」类中,可以看到线程异步执行任务时,其中的核心状态转换,以及最终结果写出的方式;

虽然「Future」从设计上,实现了异步计算的结果获取,但是通过上面的案例也可以发现,流程的主线程在执行get()方法时会阻塞,直到最终获取结果,显然对于程序来说并不友好;

JDK1.8提供「CompletableFuture」类,对「Future」进行优化和扩展;

三、CompletableFuture类

1、基础说明

「CompletableFuture」类提供函数编程的能力,可以通过回调的方式处理计算结果,并且支持组合操作,提供很多方法来实现异步编排,降低异步编程的复杂度;

「CompletableFuture」实现「Future」和「CompletionStage」两个接口;

  • Future:表示异步计算的结果;
  • CompletionStage:表示异步计算的一个步骤,当一个阶段计算完成时,可能会触发其他阶段,即步骤可能由其他CompletionStage触发;

入门案例

public class CompletableBase01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
        // 任务执行
        CompletableFuture<String> cft = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return "Res...OK";
        }, executor);
        // 结果输出
        System.out.println(cft.get());
    }
}

2、核心方法

2.1 实例方法

public class Completable01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);

        // 1、创建未完成的CompletableFuture,通过complete()方法完成
        CompletableFuture<Integer> cft01 = new CompletableFuture<>() ;
        cft01.complete(99) ;

        // 2、创建已经完成CompletableFuture,并且给定结果
        CompletableFuture<String> cft02 = CompletableFuture.completedFuture("given...value");

        // 3、有返回值,默认ForkJoinPool线程池
        CompletableFuture<String> cft03 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {return "OK-3";});

        // 4、有返回值,采用Executor自定义线程池
        CompletableFuture<String> cft04 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {return "OK-4";},executor);

        // 5、无返回值,默认ForkJoinPool线程池
        CompletableFuture<Void> cft05 = CompletableFuture.runAsync(() -> {});

        // 6、无返回值,采用Executor自定义线程池
        CompletableFuture<Void> cft06 = CompletableFuture.runAsync(()-> {}, executor);
    }
}

2.2 计算方法

public class Completable02 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
        CompletableFuture<String> cft01 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return "OK";
        },executor);

        // 1、计算完成后,执行后续处理
        // cft01.whenComplete((res, ex) -> System.out.println("Result:"+res+";Exe:"+ex));

        // 2、触发计算,如果没有完成,则get设定的值,如果已完成,则get任务返回值
        // boolean completeFlag = cft01.complete("given...value");
        // if (completeFlag){
        //     System.out.println(cft01.get());
        // } else {
        //     System.out.println(cft01.get());
        // }

        // 3、开启新CompletionStage,重新获取线程执行任务
        cft01.whenCompleteAsync((res, ex) -> System.out.println("Result:"+res+";Exe:"+ex),executor);
    }
}

2.3 结果获取方法

public class Completable03 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
        CompletableFuture<String> cft01 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return "Res...OK";
        },executor);
        // 1、阻塞直到获取结果
        // System.out.println(cft01.get());

        // 2、设定超时的阻塞获取结果
        // System.out.println(cft01.get(4, TimeUnit.SECONDS));

        // 3、非阻塞获取结果,如果任务已经完成,则返回结果,如果任务未完成,返回给定的值
        // System.out.println(cft01.getNow("given...value"));

        // 4、get获取抛检查异常,join获取非检查异常
        System.out.println(cft01.join());
    }
}

2.4 任务编排方法

public class Completable04 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 线程池
        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任务执行完成后,执行之后的任务,此处不关注cft01的结果
        // cft01.thenRun(() -> System.out.println("task...run")) ;

        // 2、cft01任务执行完成后,执行之后的任务,可以获取cft01的结果
        // cft01.thenAccept((res) -> {
        //     System.out.println("cft01:"+res);
        //     System.out.println("task...run");
        // });

        // 3、cft01任务执行完成后,执行之后的任务,获取cft01的结果,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、顺序执行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、对比任务的执行效率,由于cft02先完成,所以取cft02的结果
        // 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、两组任务执行完成后,对结果进行合并
        // 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、等待批量任务执行完返回
        // CompletableFuture.allOf(cft01,cft02,cft03).get();

        // 8、任意一个任务执行完即返回
        System.out.println("Sign:"+CompletableFuture.anyOf(cft01,cft02,cft03).get());
    }
}

2.5 异常处理方法

public class Completable05 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
        CompletableFuture<String> cft01 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            if (1 > 0){
                throw new RuntimeException("task...exception");
            }
            return "OK";
        },executor);

        // 1、捕获cft01的异常信息,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,则get时抛出指定异常信息
        boolean exeFlag = cft02.completeExceptionally(new RuntimeException("given...exception"));
        if (exeFlag){
            System.out.println(cft02.get());
        } else {
            System.out.println(cft02.get());
        }
    }
}

3、线程池问题

  • 在实践中,通常不使用ForkJoinPool#commonPool()公共线程池,会出现线程竞争问题,从而形成系统瓶颈;
  • 在任务编排中,如果出现依赖情况或者父子任务,尽量使用多个线程池,从而避免任务请求同一个线程池,规避死锁情况发生;

四、CompletableFuture原理

1、核心结构

在分析「CompletableFuture」其原理之前,首先看一下涉及的核心结构;

CompletableFuture

在该类中有两个关键的字段:「result」存储当前CF的结果,「stack」代表栈顶元素,即当前CF计算完成后会触发的依赖动作;从上面案例中可知,依赖动作可以没有或者有多个;

Completion

依赖动作的封装类;

UniCompletion

继承Completion类,一元依赖的基础类,「executor」指线程池,「dep」指依赖的计算,「src」指源动作;

BiCompletion

继承UniCompletion类,二元或者多元依赖的基础类,「snd」指第二个源动作;

2、零依赖

顾名思义,即各个CF之间不产生依赖关系;

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、一元依赖

即CF之间的单个依赖关系;这里使用「thenApply」方法演示,为了看到效果,使「cft1」长时间休眠,断点查看「stack」结构;

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());
    }
}

断点截图

原理分析

观察者Completion注册到「cft1」,注册时会检查计算是否完成,未完成则观察者入栈,当「cft1」计算完成会弹栈;已完成则直接触发观察者;

可以调整断点代码,让「cft1」先处于完成状态,再查看其运行时结构,从而分析完整的逻辑;

4、二元依赖

即一个CF同时依赖两个CF;这里使用「thenCombine」方法演示;为了看到效果,使「cft1、cft2」长时间休眠,断点查看「stack」结构;

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 依赖 cft1和cft2 的计算结果
        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());
    }
}

断点截图

原理分析

在「cft1」和「cft2」未完成的状态下,尝试将BiApply压入「cft1」和「cft2」两个栈中,任意CF完成时,会尝试触发观察者,观察者检查「cft1」和「cft2」是否都完成,如果完成则执行;

5、多元依赖

即一个CF同时依赖多个CF;这里使用「allOf」方法演示;为了看到效果,使「cft1、cft2、cft3」长时间休眠,断点查看「stack」结构;

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 依赖 cft1和cft2和cft3 的计算结果
        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());
    }
}

断点截图

原理分析

多元依赖的回调方法除了「allOf」还有「anyOf」,其实现原理都是将依赖的多个CF补全为平衡二叉树,从断点图可知会按照树的层级处理,核心结构参考二元依赖即可;

五、参考源码

编程文档:
https://gitee.com/cicadasmile/butte-java-note

应用仓库:
https://gitee.com/cicadasmile/butte-flyer-parent
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知了一笑

总结,积累,用心记录。

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