Java多线程编程 —— Future模式

Contents
  1. Future模式的核心思想
  2. Future模式的Java实现
    1. Client实现
    2. Data接口
    3. FutureData实现
    4. RealData实现
    5. 测试
  3. Future模式的JDK内置实现
  4. 总结

关于多线程的设计模式,主要包括: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。

近期由于需求,用到了Future设计模式,说来惭愧,对于设计模式偶尔用过,但没有系统化的归纳和总结。接下来一段时间,希望能够完善这部分的知识空白吧。

Future模式的核心思想

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。

future_call.png

Future模式的Java实现

Client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。
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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接口

无论是FutureData还是RealData都实现该接口。

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

FutureData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

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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实现

RealData是最终需要使用的数据,主要体现了被调用的线程处理任务的过程,它的构造函数处理很慢。

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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

主函数主要负责调用Client发起请求,并使用返回的数据。

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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());
}
}

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:

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import java.util.concurrent.Callable;
public class RealData implements Callable<String> {
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;
}
}

测试运行:

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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<String> futureTask =
new FutureTask<String>(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());
}
}

总结

  • Runnable:在并发编程时,一般使用runnable,然后扔给线程池完事,这种情况下不需要线程的结果,所以run的返回值是void类型。
  • Callable:如果是一个多线程协作程序,比如斐波那契数列,1,1,2,3,5,8…使用多线程来计算。但后者需要前者的结果,就需要用callable接口了。callable用法和runnable一样,只不过调用的是call方法,该方法有一个泛型返回值类型,你可以任意指定。
  • Future:Future可以从别的线程中得到函数返回值。Future可以监视目标线程调用call的情况,当你调用Future的get()方法以获得结果时,当前线程就开始阻塞,直到call方法结束返回结果。

参考《Java多线程编程中Future模式的详解