Future模式

　　Future模式是多线程开发中非常常见的一种设计模式，它的核心思想是异步调用。当我们需要调用一个方法时，如果这个方法执行得很慢，那么我们就要进行等待；但是有时候，我们可能并不急着要结果。因此，我们可以让被调用者立即返回，让它在后台慢慢处理这个请求。对于调用者来说，则可以先处理一些其他任务，在真正需要数据的场合再去尝试获得需要的数据。
　　Future模式有点类似于网上买东西，如果我们网上下单购买了一台手机，当我们支付完成后，手机并没有立即送到家里，但是在电脑上回产生一个订单。这个订单就是将来发货或者领取手机的凭证，这个凭证就是future模式给出的一个契约。在支付结束后，大家不会傻傻的等待手机的到来，而是各忙各的。而这张订单就成为了商家配货、发货的驱动力。当然这一切都不用关心。你要做的，只是快递上门，开门拿货而已。
　　对于Future模式来说，虽然它无法立即给出你要的数据，但是，它会立即返回给你一个契约，将来，你可以凭着这个契约去重新获取你需要的信息。
　　通过传统的同步方法调用一段比较耗时的程序，调用过程应该是这样的：客户端发出请求，这个请求要相当一段时间才能返回。客户端一直等待，直到数据返回，随后，再进行其他的任务处理。
　　使用Future模式替换原来的实现方式，可以改进其调用过程。如下图所示：

　　上面的模型展示了一个广义的Future对象，从Data_Future对象可以看出，虽然call本身需要很长一段时间处理程序。但是，服务程序不等数据处理完便立即返回客户端一个伪造的数据（相当于商品的订单，而不是商品本身），实现了Future模式的客户端在拿到这个结果后，并不急于对其进行处理，而是调用了其他业务逻辑，充分利用了等待时间，这就是Future模式的核心所在。在完成了其他业务逻辑处理后，最后再使用返回比较慢的Future数据，这样，在整个调用的过程中，就不存在无谓的等待，充分利用了时间，从而提高了系统的响应速度。

Future模式的主要角色

参与者	作用
Main	系统启动，调用Client发出请求
Client	返回Data对象，立即返回FutureData，并开启ClientThread线程装配RealData
Data	返回数据的接口
FutureData	Future数据，构造很快，但是是一个虚拟的数据，需要装配RealData
RealData	真实数据，其构造是比较慢的

Future模式的简单实现

public interface Data {
    public String getResult();
}

　　核心接口Data，这就是客户端希望获取到的数据。

public class RealData implements Data {

    protected final String result;

    public RealData(String para) throws InterruptedException {
        //RealData的构造很慢，需要用户等很久，这里使用sleep模拟
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        for (int i = 0;i < 10;i++){
            sb.append(para);
            Thread.sleep(100);//sleep模拟很慢的动作
        }
        result = sb.toString();
    }
    @Override
    public String getResult() {
        return result;
    }
}

　　RealData是最终需要使用到的数据模型。它的构造很慢，在这个例子中，我们使用了使线程休眠来模拟了这个过程。

public class FutureData implements Data {

    protected RealData realData = null;
    protected boolean isReady = false;

    public synchronized void setRealData(RealData realData){
        if (isReady){
            System.out.println("-----------");
            return;
        }
        System.out.println("........................");
        this.realData = realData;
        System.out.println("realData: " + realData);
        isReady = true;
        notifyAll();//realData已经被注入，通知getResult()
    }

    @Override
    public synchronized String getResult() {
        while (!isReady){
            try {
                System.out.println("Waiting");
                wait();//等待，直到realData被注入
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return realData.result;
    }
}

　　FutureData实现了一个快速返回的RealData的包装。它只是一个包装，或者说是RealData的虚拟实现。因此，它可以很快被构造并返回。当使用FutureData的getResult()方法时，如果实际的数据没有准备好，那么程序就会阻塞，等待RealData准备好并注入FutureData中，才最终返回数据。FutureData是Future模式的关键，它实际上是真实数据的代理，封装了获取RealData的等待过程。

public class Client {
    public Data request(final String queryStr){
        final FutureData futureData = new FutureData();
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                try {//realData构造很慢，所以在单独的线程中执行
                    RealData realData = new RealData(queryStr);
                    System.out.println("调用setRealData");
                    futureData.setRealData(realData);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }.start();
        System.out.println("futureData : " + futureData);
        return futureData;//futureData对象会被立即返回
    }
}

　　Client主要实现了获取FutureData，并开启构造RealData的线程。并在接收请求后，很快的返回FutureData。注意，他不会等待真正的数据构造完毕后再返回，而是立即返回FutureData，即使这个时候FutureData内并没有真实数据。

public class Main {
    //测试
    public static void main(String[] args){
        Client client = new Client();
        //这里立即返回的是futureData不是RealData
        Data data = client.request("name");
        System.out.println("请求完毕！");
        try {
            Thread.sleep(1000);//这里使用sleep代替其他任务处理，在处理这些任务的过程中，RealData被创建，充分利用了时间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("数据 = " + data.getResult());
    }
}

　　Main主要负责调用Client发起请求，并消费返回的数据。

输出结果：

futureData : CurrentJava.future.FutureData@4554617c
请求完毕！
Waiting
调用setRealData
........................
realData: CurrentJava.future.RealData@b20568f
数据 = namenamenamenamenamenamenamenamenamename

　　从输出结果可以看出：客户端发送请求，立即返回了对象FutureData，返回请求完毕，Client的内部线程启动构造真实的数据，由于此时RealData并没有构造完毕，所以构造线程wait处于等待状态，当RealData构造完毕后，唤醒了等待线程，拿到真实数据，并返回。这就是Future模式的调用过程。

JDK中的Future模式

　　由于Future模式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包中，其中最重要的是FutureTask类，它实现了Runnable接口，可以作为单独线程运行，在它的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，使用FutureTask.get()方法时，将返回Callable接口的返回对象。

　　将上述例子，用JDK自带的Future模式来实现：

　　首先，Data接口和FutureData就不需要了，JDK已经帮我们实现了；

　　其次，RealData修改为：

public class RealData implements Callable<String> {

    private String para;
    public RealData(String para){
        this.para = para;
    }
    @Override
    public String call() throws Exception {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        for (int i = 0; i < 10;i++){
            sb.append(para);
            Thread.sleep(100);
        }
        return sb.toString();
    }
}

　　上述的代码实现了Callable接口，它的call()方法会构造我们需要的真实数据并返回，我们用sleep来模拟其缓慢的过程。

public class FutureMain {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        //构造FutureTask
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<String>(new RealData("a"));
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(1);
        es.execute(futureTask);//执行FutureTask，开启线程执行RealData的call()
        System.out.println(futureTask.isDone());
        System.out.println("请求完成！");
        Thread.sleep(2000);//sleep代替其他业务逻辑处理
        System.out.println("数据：" + futureTask.get());
        es.shutdown();
    }
}

　　上述代码就是Future模式的典型。在第5行，构造了FutureTask对象实例，表示这个任务是有返回值的；同时构造FutureTask时，使用了Callable接口，告诉FutureTask我们需要的真实数据应该如何产生。接着在第7行，将FutureTask提交给线程池，提交完成后，立即回有FutureData返回，然后我们做一些额外的事情（这里使用sleep代替），最后再我们需要的时候通过FutureTask.get()得到实际真实的数据。

除了基本的功能外，JDK还为Future接口提供了一些简单的控制功能：

　　boolean isCancelled()：是否已经取消；

　　boolean isDone()：是否已经完成；

　　boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消任务；

　　V get() throws InterruptedException, ExecutionException ：取得返回的对象；

　　V get(long timeout, TimeUnit unit)：在规定时间内取得返回的对象。

 

参考：《Java高并发程序设计》 葛一鸣 郭超 编著：