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标题: Java中「Future」接口详解 [打印本页]

作者: 曹旭辉 时间: 2023-4-17 09:29
标题: Java中「Future」接口详解
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主打一手结果导向；

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());
}
}

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2、核心方法

2.1 实例方法

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));
}
}

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2.2 计算方法

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());
}
}

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2.3 结果获取方法

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);
}
}

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2.4 任务编排方法

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);
}
}

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2.5 异常处理方法

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());
}
}

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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 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());
}
}

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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 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());
}
}
}

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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 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());
}
}

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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 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());
}
}

复制代码

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

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());
}
}

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