Future模式
Future模式是高并发设计和开发过程中常见的设计模式。它的核心思想是异步调用，对于Future模式来说，它不是立即返回我们所需要的结果，但是它会返回一个异步任务，将来我们可以通过这个异步任务获取到我们所需要的结果。
在进行传统的RPC调用时，同步RPC调用是一段相当耗时的过程。当前客户端发出RPC请求，服务端处理客户端的RPC请求并返回服务端的过程需要一定的时间，在这个过程中客户端一直在等待，直到服务端结果的返回。如下图：
假设一次远程调用的时间为500毫秒，则一个Client同步对三个Server进行RPC调用的时间为1500毫秒。可以使用Future模式对其进行改造，将同步的RPC调用改为异步的RPC调用，一个Client异步对三个Server调用的流程如下
假设一次远程调用的时间为500，600，700毫秒，则一个Client异步并发对三个Server分别进行一次RPC调用的总时间只要耗费700毫秒。使用Future模式异步并发地进行RPC调用，客户端在得到一个RPC的返回结果前并不急于获取该结果，而是充分利用等待时间去执行其他的耗时操作(如其他RPC调用)，这就是Future模式的核心所在。
Java的Future实现类并没有支持异步回调，仍然需要主动获取异步执行的结果，而Java8的CompletableFuture组件实现了异步回调的功能
在Java中，Future只是一个泛型接口，位于Java.util.concurrent包下，其中定义了5个方法，主要包括一下几个功能
public interface Future<V> {
//取消异步执行
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
//获取异步任务的取消状态
boolean isCancelled();
//判断异步任务是否执行完成
boolean isDone();
//获取异步任务完成后的执行结果(阻塞获取)
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
//设置时限，获取异步任务完成后的执行结果
V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
总体来说，Future是一个对异步任务进行交互、操作的接口。但是Future仅仅是一个接口，通过它没有办法直接对异步任务操作，JDK提供了一个默认的实现类--FutureTask。
CompletableFuture详解
CompletableFuture是JDK8引入的实现类，实现了Future和CompletionStage接口。该实现类的实例作为一个异步任务，可以在自己的异步任务执行完成之后再出发其他的异步任务，从而达到异步回调的目的。
1.CompletableFuture的UML类关系
其中ComCompletionStage代表计算过程中的某个阶段（异步任务），一个阶段完成之后可以进入下一个阶段。一个阶段可以理解为一个异步任务，其中每一个异步任务都封装了函数式接口，表示该异步任务需要执行的操作。
2.CompletionStage接口
CompletionStage代表某个同步或异步计算的一个阶段，或者一系列异步任务中的一个子任务(或者阶段性任务)。
每个CompletionStage子任务所包装的可以是一个Function、Consumer或者Runnable函数式接口实例。这三个常用的函数式接口的特点如下：
(1)Function
Function接口的特点是：有输入、有输出。包装了Function实例的CompletionStage子任务需要一个输入参数，并会产生一个输出结果到下一步。
(2)Runnable
Runnable接口的特点是：无输入、无输出。包装了Runnable实例的CompletionStage子任务既不需要任何输入参数，又不会产生任何输出。
(3)Consumer
Consumer接口的特点是：有输入、无输出。包装了Consumer实例的CompletinStage子任务需要一个输入参数，但不会产生任何输出。
CompletionStage代表异步计算过程中的某一个阶段，一个阶段完成以后可能会触发另一个阶段。虽然一个子任务可以触发其他子任务，但是并不能保证后续子任务的执行顺序。
3.使用runAsync和supplyAcync创建子任务
CompletionStage子任务是通过创建CompletableFuture完成的。CompletableFuture提供了非常强大的Future扩展功能来帮助使用者简化异步编程的复杂性，提供了函数式编程的能力来帮助回调，也提供了转换和组合CompletionStage的能力。
CompletableFuture定义了一组创建CompletionStage子任务的方法，基础使用如下
//子任务包装一个Supplier实例，并调用ForkJoinPool.commonPool()线程来执行
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier)
//子任务包装一个Supplier实例，并使用指定的executor线程池来执行
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier,
Executor executor)
//子任务包装一个Runnable实例，并调用ForkJoinPool.commonPool()线程来执行
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable)
//子任务包装一个Runnable实例，并使用指定的executor线程池来执行
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable,
Executor executor)
//在使用CompletableFuture创建CompletionStage子任务时，
//如果没有指定Executor线程池，在默认情况下CompletionStage会使用公共的ForkJoinPool线程池。
两个创建CompletionStage子任务的示例如下：
public class CompletableFutureDemo {
//创建一个无消耗值(无输入值)、无返回值的异步子任务
public static void runAsyncDemo() throws Exception {
CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
try {
Thread.sleep(2000);
System.out.println("run end...");
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
});
//等待异步任务执行完成，限时等待1秒：
//等待时间完成之后，判断异步任务是否执行完成，如果未完成则抛出超时异常
future.get(1, TimeUnit.SECONDS);
}
//创建一个无消耗值(无输入值)、有返回值的异步子任务
public static void supplyAsyncDemo() throws Exception {
CompletableFuture<Long> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
long start = System.currentTimeMillis();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println("run end...");
return System.currentTimeMillis() - start;
});
//等待异步任务执行完成，限时等待2秒
long time = future.get(2, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("异步执行耗时(秒)：" + time / 1000);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
runAsyncDemo();
supplyAsyncDemo();
}
}
4.设置子任务回调钩子
可以为CompletionStage设置回调钩子，当计算完成或任务抛出异常时执行这些回调钩子。
设置子任务回调钩子的主要函数如下
//设置子任务完成时的回调钩子
public CompletableFuture<T> whenComplete(
BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action)
//设置子任务完成时的回调钩子，可能不在同一线程执行
public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(
BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action)
//设置子任务完成时的回调钩子，提交给线程池executor执行
public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(
BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action, Executor executor)
//设置异常处理的回调钩子
public CompletableFuture<T> exceptionally(
Function<Throwable, ? extends T> fn)
下面是一个CompletionStage子任务设置完成钩子和异常钩子的简单示例：
public class CompletableFutureDemo1 {
public static void whenCompleteDemo() throws Exception {
//创建异步任务
CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
try {
//模拟执行一秒
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":抛出异常");
throw new RuntimeException(Thread.currentThread().getName()+":发生异常");
});
//设置异步任务执行完成后的回调钩子
future.whenComplete(new BiConsumer<Void, Throwable>() {
@Override
public void accept(Void unused, Throwable throwable) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":执行完成!");
}
});
//设置异步任务发生异常后的回调钩子
future.exceptionally(new Function<Throwable, Void>() {
@Override
public Void apply(Throwable throwable) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":执行失败！" + throwable.getMessage());
return null;
}
});
//获取异步任务的结果
//回调的触发来源异步任务结果的获取，就算异步任务内存在异常，但是没有获取异步任务的结果也不会回调异常钩子或者抛出异常
future.get();
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
whenCompleteDemo();
}
}
调用cancel()方法取消CompletableFuture时，任务被视为异常完成，completeExceptionally()方法所设置的异常回调钩子也会被执行。
如果没有设置异常回调钩子，发生内部异常时会有两种情况发生：
(1)在调用get()和get(long,TimeUnit)方法启动任务时，如果遇到内部异常，get()方法就会抛出ExecutionException(执行异常)。
(2)在调用join()和getNow(T)启动任务时(大多数情况下都是如此)，如果遇到内部异常，join()和getNow(T)方法就会抛出CompletionException。
5.调用handle()方法统一处理异常和结果
除了分别通过whenComplete、exceptionally设置完成钩子、异常钩子之外，还可以调用handle()方法统一处理结果和异常。
handle方法有三个重载版本如下：
//在执行任务的同一个线程中处理异常和结果
public <U> CompletableFuture<U> handle(
BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn)
//可能不在执行任务的同一个线程中处理异常和结果
public <U> CompletableFuture<U> handleAsync(
BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn)
//在指定线程池executor中处理异常和结果
public <U> CompletableFuture<U> handleAsync(
BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn, Executor executor)
handle()方法的示例代码如下：
public class CompletableDemo2 {
public static void handleDemo() throws Exception {
CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
try {
//模拟执行1秒
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":抛出异常");
throw new RuntimeException(Thread.currentThread().getName()+":发生异常");
});
//统一处理异常和结果
future.handle(new BiFunction<Void, Throwable, Void>() {
@Override
public Void apply(Void unused, Throwable throwable) {
if (throwable == null) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":没有发生异常!");
} else {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":sorry,发生了异常!");
}
return null;
}
});
future.get();
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
handleDemo();
}
}
6.异步任务的串行执行
如果两个异步任务需要串行(一个任务依赖另一个任务)执行，可以通过CompletionStage接口的thenApply()、thenAccept()、thenRun()和thenCompose()四个方法来实现。
thenApply()
//后一个任务与前一个任务在同一个线程中执行
public <U> CompletableFuture<U> thenApply(Function<? super T,? extends U> fn)
//后一个任务与前一个任务不在同一个线程中执行
public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn)
//后一个任务在指定的executor线程池中执行
public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn, Executor executor)
thenApply的三个重载版本有一个共同的参数fn，该参数表示要串行执行的第二个异步任务，它的类型为Function。fn的类型声明涉及两个泛型参数，具体如下：
- 泛型参数T:上一个任务所返回结果的类型。
- 泛型参数U:当前任务的返回值类型。
调用thenApply分两步计算(10+10)*2：
//调用thenApply分两步计算(10+10)*2
public class ThenApplyDemo {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
CompletableFuture<Long> future = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Long>() {
@Override
public Long get() {
long firstStep = 10L + 10L;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":firstStep out is " + firstStep);
return firstStep;
}
}).thenApplyAsync(new Function<Long, Long>() {
@Override
public Long apply(Long firstStepOut) {
long secondStep = firstStepOut * 2;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":secondStep out is " + secondStep);
return secondStep;
}
});
Long result = future.get();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":out is " + result);
}
}
thenRun()方法
thenRun()方法与thenApply()方法不同的是，不关心任务的处理结果。只要前一个任务执行完成，就开始执行后一个串行任务。
//后一个任务与前一个任务在同一个线程中执行
public CompletableFuture<Void> thenRun(Runnable action)
//后一个任务与前一个任务不在同一个线程中执行
public CompletableFuture<Void> thenRunAsync(Runnable action)
//后一个任务在指定的executor线程池中执行
public CompletableFuture<Void> thenRunAsync(Runnable action,Executor executor)
从方法的声明可以看出，thenRun()方法同thenApply()方法类似，不同的是前一个任务处理完成后，thenRun()并不会把计算的结果传给后一个任务，而且后一个任务也没有结果输出。
thenAccept()方法
调用thenAccept()方法时后一个任务可以接收(或消费)前一个任务的处理结果，但是后一个任务没有结果输出。
//后一个任务与前一个任务在同一个线程中执行
public CompletableFuture<Void> thenAccept(Consumer<? super T> action)
//后一个任务与前一个任务不在同一个线程中执行
public CompletableFuture<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action)
//后一个任务在指定的executor线程池中执行
public CompletableFuture<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action,Executor executor)
thenCompose()方法
thenCompose方法在功能上与thenApply()、thenAccept()、thenRun()一样，可以对两个任务进行串行的调度操作，第一个任务操作完成时，将它的结果作为参数传递给第二个任务。
public <U> CompletableFuture<U> thenCompose(
Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn)
public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(
Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn)
public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(
Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn,
Executor executor)
thenCompose()方法要求第二个任务的返回值是一个CompletionStage异步实例。因此，可以调用CompletableFuture.supplyAsync()方法将第二个任务所要调用的普通异步方法包装成一个CompletionStage实例。
这里使用thenCompose()分两步计算(10+10)*2
public class ThenComposeDemo {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
CompletableFuture<Long> future = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Long>() {
@Override
public Long get() {
long firstStep = 10 + 10;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":first out is " + firstStep);
return firstStep;
}
}).thenCompose(new Function<Long, CompletionStage<Long>>() {
@Override
public CompletionStage<Long> apply(Long firstStepOut) {
//将第二个任务所要调用的普通异步方法包装成一个CompletionState异步实例
return CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Long>() {
//两个任务所要调用的普通异步方法
@Override
public Long get() {
long secondStep = firstStepOut * 2;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":second Step out is " + secondStep);
return secondStep;
}
});
}
});
Long result = future.get();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":out is " + result);
}
}
四个任务串行方法的区别
thenApply()、thenRun()、thenAccept()这三个方法的不同之处主要在于其核心参数fn、action、consumer的类型不同，分别为Function<T,R>、Runnable、Consumer<? super T>类型。
但是，thenCompose()方法与thenApply()方法有本质的不同：
- thenCompose()的返回值是一个新的CompletionStage实例，可以持续用来进行下一轮CompletionStage任务的调度。
- thenApply()的返回值就是第二个任务的普通异步方法的执行结果，它的返回类型与第二不执行的普通异步方法的返回类型相同，通过thenApply()所返回的值不能进行下一轮CompletionStage链式(或者流式)调用。
7.异步任务的合并执行
如果某个任务同时依赖另外两个异步任务的执行结果，就需要对另外两个异步任务进行合并。以泡茶为例，“泡茶喝”任务需要对“烧水”任务与“清洗”任务进行合并。
thenCombine()方法
thenCombine()会在两个CompletionStage任务都执行完成后，把两个任务的结果一起交给thenCombine()来处理。
//合并代表第二步任务(参数other)的CompletionStage实例，返回第三步任务的CompletionStage
public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombine(
CompletionStage<? extends U> other,
BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn)
//不一定在同一个线程中执行第三步任务的CompletionStage实例
public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombineAsync(
CompletionStage<? extends U> other,
BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn)
//第三步任务的CompletionStage实例在指定的executor线程池中执行
public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombineAsync(
CompletionStage<? extends U> other,
BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn, Executor executor)
thenCombine()方法的调用者为第一步的CompletionStage实例，该方法的第一个参数为第二步的CompletionStage实例，该方法的返回值为第三步的CompletioStage实例。在逻辑上，thenCombine()方法的功能是将第一步、第二步的结果合并到第三步上。
thenCombine()系列方法有两个核心参数：
- other参数：表示待合并的第二步任务的CompletionStage实例。
- fn参数：表示第一个任务和第二个任务执行完成后，第三步需要执行的逻辑。
fn参数的类型为BiFunction<? super T,? super U,? extends V>,该类型的声明涉及三个泛型参数：
- T:表示第一个任务所返回结果的类型
- U:表示第二个任务所返回结果的类型
- V:表示第三个任务所返回结果的类型
//使用thenCombine()计算(10+10)*(10+10)
public class ThenCombineDemo {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
@Override
public Integer get() {
Integer firstStep = 10 + 10;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":firstStep out is " + firstStep);
return firstStep;
}
});
CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
@Override
public Integer get() {
Integer secondStep = 10 + 10;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":secondStep out is " + secondStep);
return secondStep;
}
});
CompletableFuture<Integer> future3 = future1.thenCombine(future2, new BiFunction<Integer, Integer, Integer>() {
@Override
public Integer apply(Integer step1Out, Integer step2Out) {
return step1Out * step2Out;
}
});
Integer result = future3.get();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":out is " + result);
}
}
runAfterBoth()方法
runAfterBoth()方法不关心每一步任务的输入参数和处理结果。
//合并第二步任务的CompletionStage实例，返回第三步任务的CompletionStage
public CompletableFuture<Void> runAfterBoth(CompletionStage<?> other,
Runnable action)
//不一定在同一个线程中执行第三步任务的CompletionStage实例
public CompletableFuture<Void> runAfterBothAsync(CompletionStage<?> other,
Runnable action)
//第三步任务的CompletionStage实例在指定的executor线程池中执行
public CompletableFuture<Void> runAfterBothAsync(CompletionStage<?> other,
Runnable action,
Executor executor)
thenAcceptBoth()方法
该方法是对runAfterBoth()方法和thenCombine()方法的特点进行了折中，调用thenAcceptBoth()方法，第三个任务可以接收其合并过来的第一个任务、第二个任务的处理结果，但是第三个任务(合并任务)却不能返回结果。
public <U> CompletableFuture<Void> thenAcceptBoth(
CompletionStage<? extends U> other,
BiConsumer<? super T, ? super U> action)
public <U> CompletableFuture<Void> thenAcceptBothAsync(
CompletionStage<? extends U> other,
BiConsumer<? super T, ? super U> action)
public <U> CompletableFuture<Void> thenAcceptBothAsync(
CompletionStage<? extends U> other,
BiConsumer<? super T, ? super U> action, Executor executor)
allOf()等待所有的任务结束
CompletionStage接口的allOf()会等待所有的任务结束，以合并所有的任务。thenCombine()只能合并两个任务，如果需要合并多个异步任务，那么可以调用allOf()。阻塞所有任务执行完成之后，才可以往下执行。
//allOF()会等待所有的任务结束，以合并所有的任务
public class AllOfDemo {
public static void main(String[] args) {
CompletableFuture<Void> future1 = CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":模拟异步任务1"));
CompletableFuture<Void> future2 = CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":模拟异步任务2"));
CompletableFuture<Void> future3 = CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":模拟异步任务3"));
CompletableFuture<Void> future4 = CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":模拟异步任务4"));
CompletableFuture<Void> all = CompletableFuture.allOf(future1, future2, future3, future4);
all.join();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":所有异步任务都已经执行完毕");
}
}
8.采摘果园实例
为了异步执行整个排查流程，分别设计三个线程：运输果实线程(MainThread,主线程)、采苹果线程(HotWaterThread)和采橘子线程(WashThread)。
- 运输果实线程的工作是：启动采苹果线程、启动采橘子线程，等采苹果、采橘子的工作完成后，运输到仓库;
- 采苹果线程的工作是：找到苹果、采苹果、放到框里；
- 采橘子线程的工作是：找到橘子、采橘子、放到框里；
我们使用CompletableFuture实现整个采摘果园程序。我们分3个任务：
任务1负责采苹果
任务2负责采橘子
任务3负责运输
public class DrinkTea {
public static final int SLEEP_GAP = 3000;
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
//任务1：采苹果
CompletableFuture<Boolean> hotJob = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":找到苹果"+i);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":采苹果"+i);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":框里"+i+"苹果");
}
//线程睡眠一段时间，代表采苹果中
try {
Thread.sleep(SLEEP_GAP);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":框满了");
return true;
});
//任务2：采橘子
CompletableFuture<Boolean> washJob = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":找到橘子"+i);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":采橘子"+i);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":框里有"+i+"橘子");
}
//线程睡眠一段时间，代表采橘子中
try {
Thread.sleep(SLEEP_GAP);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":框满了");
return true;
});
//任务3：任务1和任务2完成后执行运输
CompletableFuture<String> drinkJob = hotJob.thenCombine(washJob, new BiFunction<Boolean, Boolean, String>() {
@Override
public String apply(Boolean hotOK, Boolean washOK) {
if (hotOK && washOK) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":苹果框满了，橘子框满了。开始运输");
return "运输完成";
}
return "苹果框或者橘子框未满";
}
});
//等待任务3执行结果
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + drinkJob.get());
}
}
