Java多线程编程中Future模式的详解

Java多线程编程中，常用的多线程设计模式包括：Future模式、Master-Worker模式、Guarded Suspeionsion模式、不变模式和生产者-消费者模式等。这篇文章主要讲述Future模式，关于其他多线程设计模式的地址如下：

关于其他多线程设计模式的地址如下：

关于Master-Worker模式的详解： Java多线程编程中Master-Worker模式的详解

关于Guarded Suspeionsion模式的详解： Java多线程编程中Guarded Suspeionsion模式的详解

关于不变模式的详解： Java多线程编程中不变模式的详解

关于生产者-消费者模式的详解：生产者-消费者模式Java详解

1. Future模式核心思想

Future模式的核心在于：去除了主函数的等待时间，并使得原本需要等待的时间段可以用于处理其他业务逻辑（根据《Java程序性能优化》）。

Future模式有点类似于商品订单。在网上购物时，提交订单后，在收货的这段时间里无需一直在家里等候，可以先干别的事情。类推到程序设计中时，当提交请求时，期望得到答复时，如果这个答复可能很慢。传统的时一直等待到这个答复收到时再去做别的事情，但如果利用Future设计模式就无需等待答复的到来，在等待答复的过程中可以干其他事情。

例如如下的请求调用过程时序图。当call请求发出时，需要很长的时间才能返回。左边的图需要一直等待，等返回数据后才能继续其他操作；而右边的Future模式的图中客户端则无需等到可以做其他的事情。服务器段接收到请求后立即返回结果给客户端，这个结果并不是真实的结果（是虚拟的结果），也就是先获得一个假数据，然后执行其他操作。

2. Future模式Java实现

Client的实现

Client主要完成的功能包括：1. 返回一个FutureData；2.开启一个线程用于构造RealData。

public class Client {
	public Data request(final String string) {
		final FutureData futureData = new FutureData();

		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				//RealData的构建很慢，所以放在单独的线程中运行
				RealData realData = new RealData(string);
				futureData.setRealData(realData);
			}
		}).start();

		return futureData; //先直接返回FutureData
	}
}

Data的实现

无论是FutureData还是RealData都实现该接口。

public interface Data {
	String getResult() throws InterruptedException;
}

FutureData的实现

FutureData是Future模式的关键，它实际上是真实数据RealData的代理，封装了获取RealData的等待过程。

//FutureData是Future模式的关键，它实际上是真实数据RealData的代理，封装了获取RealData的等待过程
public class FutureData implements Data {
	RealData realData = null; //FutureData是RealData的封装
	boolean isReady = false;  //是否已经准备好

	public synchronized void setRealData(RealData realData) {
		if(isReady)
			return;
		this.realData = realData;
		isReady = true;
		notifyAll(); //RealData已经被注入到FutureData中了，通知getResult()方法
	}

	@Override
	public synchronized String getResult() throws InterruptedException {
		if(!isReady) {
			wait(); //一直等到RealData注入到FutureData中
		}
		return realData.getResult();
	}
}

RealData的实现

RealData是最终需要使用的数据，它的构造函数很慢。

public class RealData implements Data {
	protected String data;

	public RealData(String data) {
		//利用sleep方法来表示RealData构造过程是非常缓慢的
		try {
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		this.data = data;
	}

	@Override
	public String getResult() {
		return data;
	}
}

测试运行

主函数主要负责调用Client发起请求，并使用返回的数据。

public class Application {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Client client = new Client();
		//这里会立即返回，因为获取的是FutureData，而非RealData
		Data data = client.request("name");
		//这里可以用一个sleep代替对其他业务逻辑的处理
		//在处理这些业务逻辑过程中，RealData也正在创建，从而充分了利用等待时间
		Thread.sleep(2000);
		//使用真实数据
		System.out.println("数据="+data.getResult());
	}
}

3. Future模式的JDK内置实现

由于Future是非常常用的多线程设计模式，因此在JDK中内置了Future模式的实现。这些类在java.util.concurrent包里面。其中最为重要的是FutureTask类，它实现了Runnable接口，作为单独的线程运行。在其run()方法中，通过Sync内部类调用Callable接口，并维护Callable接口的返回对象。当使用FutureTask.get()方法时，将返回Callable接口的返回对象。同样，针对上述的实例，如果使用JDK自带的实现，则需要作如下调整。

首先，Data接口和FutureData就不需要了，JDK帮我们实现了。

其次，RealData改为这样：

import java.util.concurrent.Callable;

public class RealData implements Callable {
	protected String data;

	public RealData(String data) {
		this.data = data;
	}

	@Override
	public String call() throws Exception {
		//利用sleep方法来表示真是业务是非常缓慢的
		try {
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return data;
	}
}

最后，在测试运行时，这样调用：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class Application {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		FutureTask futureTask =
				new FutureTask(new RealData("name"));
		ExecutorService executor =
				Executors.newFixedThreadPool(1); //使用线程池
		//执行FutureTask，相当于上例中的client.request("name")发送请求
		executor.submit(futureTask);
		//这里可以用一个sleep代替对其他业务逻辑的处理
		//在处理这些业务逻辑过程中，RealData也正在创建，从而充分了利用等待时间
		Thread.sleep(2000);
		//使用真实数据
		//如果call()没有执行完成依然会等待
		System.out.println("数据=" + futureTask.get());
	}
}