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Java多线程（三）——FutureTask/CompletableFuture 

  iwehdio的博客园：https://www.cnblogs.com/iwehdio/

学习自：

1、FutureTask

  • 无论是Runnable还是Callable，它们其实和线程没半毛钱关系，它们是任务类，只有Thread是线程类。

  • JDK那么多类，有且仅有Thread类能通过start0()方法向操作系统申请线程资源（本地方法）。

    image-20210114210703219

  • 并且，在JVM的设定中Java的线程和操作系统的线程是一一对应的：

    image-20210114210741531

  • 而Runnable和Callable如果没有线程或线程池去执行它们，就什么也不是，只是一坨普通的代码。

    public class AsyncAndWaitTest {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 方式1：重写Thread#run()
        Thread thread = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "========>正在执行");
            }
        };
        thread.start();

        // 方式2：构造方法传入Runnable实例
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "========>正在执行");
        }).start();

        // 方式3：线程池 + Callable
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Future<String> submit = executorService.submit(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "========>正在执行");
            Thread.sleep(3 * 1000L);
            return "success";
        });
        String result = submit.get();
        System.out.println("result=======>" + result);
        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

  • FutureTask = 任务 + 结果。

    • 第四种方法：通过Thread的构造器传入Runnable实例（FutureTask，内部包装了Runnable/Callable）。
    • 基本使用：
    public class AsyncAndWaitTest {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {

        // FutureTask实现了Runnable，可以看做是一个任务
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<String>() {
            @Override
            public String call() throws Exception {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "========>正在执行");
                try {
                    Thread.sleep(3 * 1000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return "success";
            }
        });
        
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "========>启动任务");

        // 传入futureTask，启动线程执行任务
        new Thread(futureTask).start();

        // 但它同时又实现了Future，可以获取异步结果（会阻塞3秒）
        String result = futureTask.get();
        System.out.println("任务执行结束，result====>" + result);
    }

}

  • FutureTask这个名字！它既是一个任务，又能存储任务执行的结果。反映在程序上就是既能传入Thread执行，又能通过futureTask.get()获取任务执行结果。

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  • FutureTask有以下2个特征：

    • 能包装Runnable和Callable（构造器传入），但本身却又实现了Runnable接口，即本质是Runnable。
    • 既然是Runnable，所以FutureTask能作为任务被Thread执行，但诡异的是FutureTask#get()可以获取结果。

  • FutureTask如何包装Runnable/Callable：

    • 使用：

      image-20210114211841491

    • 通过FutureTask构造器传入Runnable/Callable的，所以我们去看看FutureTask的构造器：

      image-20210114211941786

    • FutureTask内部维护Callable类型的成员变量，对于Callable任务，直接赋值即可：

      image-20210114212020753

    • 而对于Runnable任务，需要先调用Executors#callable()把Runnable先包装成Callable：

      image-20210114212109758

    • Executors#callable()用到了适配器模式：

      image-20210114212158174

    • 而RunnableAdapter实现了Callable接口，所以包装后的RunnableAdapter可以赋值给FutureTask.callable。

      image-20210114212212182

    • 也就是说：

      • Runnable --> Executors.callable() --> RunnableAdapter implements Callable --> FutureTask.callable
      • Callable --> FutureTask.callable

  • Runnable和Callable的返回值问题：

    • Callable#call()是有返回值的，而Runnable#run()没有。它们都包装成FutureTask后，一个有返回值，一个没返回值，怎么处理呢。

    • 设计成有返回值的，毕竟Callable.call()明明有返回值，你总不能硬生生丢掉吧。至于Runnable.run()确实没返回值，但也好办，搞个假的返回即可。

      image-20210114212450677

    • 等到Thread执行FutureTask时，会先取出FutureTask.callable，然后调用callable.call()：

      • 如果是真的Callable，调用Callable.call()会返回真实的result
      • 如果是Runnable包装的RunnableAdapter，会返回事先传入的result
      • 这也是上面的程序中，为什么Runnable要多传一个参数的原因

  • FutureTask是如何被Thread执行的：

    • thread执行自己的run方法。这里的target是FutureTask，所以target.run()就是FutureTask#run()。

      image-20210114212942670

    • 结果最终存哪呢？

      image-20210114213058867

    • 也是FutureTask的一个成员变量：

      image-20210114213115890

    • 进一步印证了说 FutureTask = 任务 + 结果。

  • 为什么get()是阻塞的？

    • 在FutureTask中定义了很多任务状态：

      image-20210114213239662

      • 刚创建
      • 即将完成
      • 完成
      • 抛异常
      • 任务取消
      • 任务即将被打断
      • 任务被打断

    • 这些状态的设置意义在哪？

      • 一个任务，有时可能非常耗时。而当用户使用futureTask.get()时，必然是希望获取最终结果的。如果FutureTask不帮我们阻塞，就有可能获取空结果。此时为了获取最终结果，用户不得不在外部自己写阻塞程序。
      • 所以，get()内部会判断当前任务的状态，只有当任务完成才返回。

    • 线程从阻塞到获取结果，中间必然经历类似唤醒的操作，怎么做到的？

      • 秘密就在awaitDone()：核心的就是 for循环 + LockSupport。
      • LockSupport是一个线程阻塞工具类，所有的方法都是静态方法，可以让线程在任意位置阻塞，当然也有唤醒的方法。
      • LockSupport主要有两类方法：park和unpark。即让线程停下和启动。

      image-20210114213403621

      • 类似于：

        public class ParkTest {

    @Test
    public void testPark() throws InterruptedException {
        // 存储线程
        List<Thread> threadList = new ArrayList<>();

        // 创建5个线程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                System.out.println("我是" + Thread.currentThread().getName() + ", 我开始工作了~");
                LockSupport.park(this);
                System.out.println("我是" + Thread.currentThread().getName() + ", 我又活过来了~");
            });
            thread.start();
            threadList.add(thread);
        }

        Thread.sleep(3 * 1000L);
        System.out.println("====== 所有线程都阻塞了，3秒后全部恢复了 ======");

        // unPark()所有线程
        for (Thread thread : threadList) {
            LockSupport.unpark(thread);
        }

        // 等所有线程执行完毕
        Thread.sleep(3 * 1000L);
    }

}

    • 也就是说，调用get()后，如果当前没有结果，就会被park()，等有了结果再unpark()并往下走：

      image-20210114213807726

    • 取出outcome返回：

      image-20210114213822669

  • FutureTask如何异步返回结果：

    image-20210114214552476

    • 往线程池submit了一个Callable，结果马上返回了result（FutureTask）：

      image-20210114214746646

    • 观察：

      • 返回的FutureTask里包含刚才丢进去的Callable
      • result.outcome目前还是null

    • 实际上，返回的futureTask并不是真正的结果，它内部持有outcome引用，它才指向真正的结果。而在任务完成之前，outcome引用指向的是null。

      image-20210114214843951

  • 何时调用futureTask.get()？

    • 用户调用get()必然是想到得到最终结果的，所以为了保证一定能得到结果，JDK把FutureTask#get()设计成阻塞的。

    • 建议不要立即调用get()，否则程序完全没有发挥异步优势，由异步阻塞变成同步阻塞。

      image-20210114215039393

    • 开启多线程，当然应该发挥多线程的优势：

      image-20210114215102247

      image-20210114215154400

  • isDone() + get()：

    • 但是实际开发时，异步线程具体会耗时多久有时很难预估，受网络、数据库等各方面影响。所以很难做到在合适的地方get()然后一击即中。
    • FutureTask提供了isDone()方法：

    image-20210114215310620

    • 当然，这种做法也不是很优雅。JDK1.8提供了CompletableFuture解决这个问题。

2、CompletableFuture

  • FutureTask#get()本身是阻塞的，假设当前有三个下载任务在执行：

    • task1（预计耗时5秒）
    • task2（预计耗时1秒）
    • task3（预计耗时1秒）

  • 如果阻塞获取时不凑巧把task1.get()排在最前面，那么会造成一定的资源浪费，因为task2和task3早就已经准备好了，可以先拿出来处理，以获得最佳的用户体验。

    image-20210115192952604

  • 虽然可以结合轮询+isDone()的方式改进，但仍存在以下问题：

    • 轮询间隔多少合适？
    • 为了避免while(true)阻塞主线程逻辑，可能需要开启单独的线程轮询，浪费一个线程。
    • 仍然无法处理复杂的任务依赖关系。

  • CompletableFuture的简单使用：

    @Test
public void testCallBack() throws InterruptedException, ExecutionException {
    // 提交一个任务，返回CompletableFuture
    CompletableFuture<String> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<String>() {
        @Override
        public String get() {
            System.out.println("=============>异步线程开始...");
            System.out.println("=============>异步线程为：" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("=============>异步线程结束...");
            return "supplierResult";
        }
    });
    
	// 阻塞获取结果
    System.out.println("异步结果是:" + completableFuture.get());
    System.out.println("main结束");
}
    • 整个过程看起来和同步没啥区别，因为我们在main线程中使用了CompletableFuture#get()，直接阻塞了。

    image-20210115193510981

    • CompletableFuture和FutureTask的异同点：

      • 相同：都实现了Future接口，所以都可以使用诸如Future#get()、Future#isDone()、Future#cancel()等方法

      • 不同：

        • FutureTask实现了Runnable，所以它可以作为任务被执行，且内部维护outcome，可以存储结果
        • CompletableFuture没有实现Runnable，无法作为任务被执行，所以你无法把它直接丢给线程池执行，相反地，你可以把Supplier#get()这样的函数式接口实现类丢给它执行
        • CompletableFuture实现了CompletionStage，支持异步回调。

    • FutureTask和CompletableFuture最大的区别在于，FutureTask需要我们主动阻塞获取，而CompletableFuture支持异步回调。

    • CompletableFuture好像承担的其实是线程池的角色，而Supplier#get()则对应Runnable#run()、Callable#call()。

  • CompletionStage的基本使用：

    @Test
public void testCallBack() throws InterruptedException, ExecutionException {
    // 提交一个任务，返回CompletableFuture（注意，并不是把CompletableFuture提交到线程池，它没有实现Runnable）
    CompletableFuture<String> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<String>() {
        @Override
        public String get() {
            System.out.println("=============>异步线程开始...");
            System.out.println("=============>异步线程为：" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("=============>异步线程结束...");
            return "supplierResult";
        }
    });

    // 异步回调：上面的Supplier#get()返回结果后，异步线程会回调BiConsumer#accept()
    completableFuture.whenComplete(new BiConsumer<String, Throwable>() {
        @Override
        public void accept(String s, Throwable throwable) {
            System.out.println("=============>异步任务结束回调...");
            System.out.println("=============>回调线程为：" + Thread.currentThread().getName());
        }
    });

    // CompletableFuture的异步线程是守护线程，一旦main结束就没了，为了看到打印结果，需要让main休眠一会儿
    System.out.println("main结束");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(15);
}

    • 结果：

      =============>异步线程开始...
=============>异步线程为：ForkJoinPool.commonPool-worker-9
main结束
=============>异步线程结束...
=============>异步任务结束回调...
=============>回调线程为：ForkJoinPool.commonPool-worker-9

  • 主线程调用了CompletableFuture#whenComplete()：

    • 这个方法定义在CompletionStage接口中：

      public interface CompletionStage<T> {
    public CompletionStage<T> whenComplete
        (BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action);
    
    // 省略其他方法...
}

    • 而CompletableFuture实现了whenComplete()：

      public class CompletableFuture<T> implements Future<T>, CompletionStage<T> {
    // 省略其他方法...
    
    public CompletableFuture<T> whenComplete(
        BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action) {
        return uniWhenCompleteStage(null, action);
    }
    
    private CompletableFuture<T> uniWhenCompleteStage(Executor e, BiConsumer<? super T, ? super Throwable> f) {
        if (f == null) throw new NullPointerException();
        CompletableFuture<T> d = new CompletableFuture<T>();
        if (e != null || !d.uniWhenComplete(this, f, null)) {
            UniWhenComplete<T> c = new UniWhenComplete<T>(e, d, this, f);
            push(c);
            c.tryFire(SYNC);
        }
        return d;
    }
    
    // 省略其他方法...
}

    • CompletionStage是什么呢？

      • 是一个“很简单”的接口。完全独立，没有继承任何其他接口，所有方法都是它自己定义的。
      public interface CompletionStage<T> {
    // 定义了超级多类似whenComplete()的方法
}
      • 是个不简单的接口。因为CompletableFuture实现Future的同时，还实现了它。Future方法就6、7个，而CompletionStage的方法超级多，所以如果你打开CompletableFuture的源码，目之所及几乎都是它对CompletionStage的实现。
      public class CompletableFuture<T> implements Future<T>, CompletionStage<T> {
    // 一些字段
    // 实现Future的方法
    
    // 实现CompletionStage的方法
    // 一些私有方法，配合CompletionStage
    // 一些内部类，配合CompletionStage
}
      • 异步回调其实和CompletionStage有着很大的关系。

    • 总而言之，CompletionStage是一个接口，定义了一些方法，CompletableFuture实现了这些方法并设计出了异步回调的机制

  • 异步线程会回调BiConsumer#accept()，而CompletableFuture#whenComplete()是主线程调用的。即CompletionStage中定义的诸如whenComplete()等方法虽然和异步回调有关系，但并不是最终被回调的方法，最终被回调的其实是whenComplete(BiConsumer)传进去的BiConsumer#accept()。

    image-20210115195319241

  • 异步线程哪来的，Supplier如何被执行？

    • 跟随主线程进入CompletableFuture#supplyAsync():

      image-20210115195959491

    • 注释：返回一个新的CompletableFuture，该future是由运行在{@link ForkJoinPool#commonPool()}中的任务异步完成的，其值是通过调用给定的Supplier获得的。

      • 即异步线程来自ForkJoinPool线程池。
      • 通过CompletableFuture#supplyAsync(supplier)传入Supplier，返回CompletableFuture对象，它包含一个未来的value，且这个value会在稍后由异步线程执行Supplier#get()产生。

    • CompletableFuture#supplyAsync(supplier)内部调用了asyncSupplyStage(asyncPool, supplier)，此时传入了一个线程池asyncPool，它是CompletableFuture的成员变量：

      image-20210115200409657

      image-20210115200335107

    • useCommonPool为true时会使用ForkJoinPool，而useCommonPool取决于运行当前程序的硬件是否支持多核CPU。

    • 主线程传进来的Supplier压根没有实现Runnable/Callable接口，怎么被异步线程执行呢？

      image-20210115200651552

    • 和ExecutorService#submit()一样的套路：包装成Task再执行。只不过这次被包装成了AsyncSupply，而不是FutureTask：

      image-20210115200746525

    • AsyncSupply和当初的FutureTask颇为相似，都实现了Future和Runnable，具备 任务+结果 双重属性：

      image-20210115200809769

    • 最终就是把Supplier包装好，传入线程池的execute()中运行。等线程池分配出线程，最终会执行AsyncSupply#run()。

    • AsyncSupply#run()在方法内调用f.get()，也就是Supplier#get()，阻塞获取结果并通过d.completeValue(v)把值设置到CompletableFuture中，而CompletableFuture d已经在上一步asyncSupplyStage()中被返回。最终效果和线程池+FutureTask是一样的，先返回Future实例，再通过引用把值放进去。

    image-20210115201646593

    • 从这个层面上来看，CompletableFuture相当于一个自带线程池的Future，而CompletableFuture#supplyAsync(Supplier)倒像是ExecutorService#submit(Runnable/Callable)，内部也会包装任务，最终丢给Executor#execute(Task)。
    • 只不过ExecutorService是把Runnable#run()/Callable#call()包装成FutureTask，而CompletableFuture则把乱七八糟的Supplier#get()等函数式接口的方法包装成ForkJoinTask。

  • 回调机制的原理：

    • CompletableFuture的回调机制，其实本质上是对多个CompletableFuture内部函数的顺序执行，只不过发起者是异步线程而不是主线程

    • CompletableFuture#thenApply()，与CompletableFuture#whenComplete()本质是一样的（也是CompletableFuture对CompletionStage的实现）：

      @RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest
public class CompletableFutureTest {

    @Test
    public void testCallBack() throws InterruptedException {
        // 任务一：把第一个任务推进去，顺便开启异步线程
        CompletableFuture<String> completableFuture1 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<String>() {
            @Override
            public String get() {
                System.out.println("=============>异步线程开始...");
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("=============>completableFuture1任务结束...");
                System.out.println("=============>执行completableFuture1的线程为：" + Thread.currentThread().getName());
                return "supplierResult";
            }
        });
        System.out.println("completableFuture1:" + completableFuture1);

        // 任务二：把第二个任务推进去，等待异步回调
        CompletableFuture<String> completableFuture2 = completableFuture1.thenApply(new Function<String, String>() {
            @Override
            public String apply(String s) {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("=============>completableFuture2任务结束 result=" + s);
                System.out.println("=============>执行completableFuture2的线程为：" + Thread.currentThread().getName());
                return s;
            }
        });
        System.out.println("completableFuture2:" + completableFuture2);

        // 任务三：把第三个任务推进去，等待异步回调
        CompletableFuture<String> completableFuture3 = completableFuture2.thenApply(new Function<String, String>() {
            @Override
            public String apply(String s) {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("=============>completableFuture3任务结束 result=" + s);
                System.out.println("=============>执行completableFuture3的线程为：" + Thread.currentThread().getName());
                return s;
            }
        });
        System.out.println("completableFuture3:" + completableFuture3);

        System.out.println("主线程结束");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(40);
    }
}

    • 分析主线程的主干：

      • CompletableFuture#supplyAsync(Supplier)：包装Supplier为AsyncSupply，调用executor.execute()，等待异步线程回调Supplier#get()
      • CompletableFuture#thenApply(Function)
      • CompletableFuture#thenApply(Function)

    • 主线程在执行“任务一”的CompletableFuture#supplyAsync(Supplier)时，将Supplier包装成AsyncSupply任务，并开启了异步线程，此后异步线程会阻塞在Supplier#get()：

      image-20210115212049077

      image-20210115212056600

    • Supplier#get()是异步线程开启后执行的第一站！

    • 与此同时，主线程继续执行后面的“任务二”、“任务三”，并且都会到达uniApply()，且都返回false，因为a.result==null。

    • 当主线程从任务二进来，调用thenApply()。最终会到达uniApply()，通过控制台的日志，我们发现a其实就是completableFuture1。因为uniApply()的上一步传入的this：

      image-20210115212144996

    • 也就是说：

      • 主线程 ---> completableFuture1.thenApply(Function#apply) ---> !d.uniApply(this, f#apply, null)
      • a.result就是completableFuture1.result，而completableFuture1的值来自Supplier#get()，此时确实还是null（异步线程阻塞设定的秒数秒后才会）。

    • 所以此时d.uniApply(this, f, null) 为false，那么!d.uniApply(this, f, null) 为true，就会进入if语句：

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    • 主要做了3件事：

      • 传入Executor e、新建的CompletableFuture d、当前completableFuture1、Function f，构建UniApply
      • push(uniApply)
      • uniApply.tryFire(SYNC)

    • 任务一做了两件事：

      • 开启异步线程
      • 等待回调

    • 由于要开启线程，自己也要作为任务被执行，所以Supplier#get()被包装成AsyncSupply，是一个Task。而后续的几个任务其实只做了一件事：等待回调。只要能通过实例执行方法即可，和任务一有所不同，所以只是被包装成UniApply对象。

    • push(uniApply)姑且认为是把任务二的Function#apply()包装后塞到任务栈中。

    • 但uniApply.tryFire(SYNC)是干嘛的呢？里面又调了一次uniApply()：

      image-20210115212533531

    • SYNC=0，所以最终判断!d.uniApply(this, f, this) ==true，tryFire(SYNC)返回null，后面的d.postFire(a, mode)此时并不会执行，等后面异步线程复苏后，带着任务一的结果再次调用时，效果就截然不同了。

    • 总结一下，“任务二”、“任务三”操作都是一样的，都做了3件事：

      • 主线程调用CompletableFuture#thenApply(Function f)传入f，构建UniApply对象，包装Function#apply()
      • 把构建好的UniApply对象push到栈中
      • 返回CompletableFuture d

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    • 等过了100秒，supplyAsync(Supplier)中的Supplier#get()返回结果后，异步线程继续往下走：

      • postComplete()也会走uniApply()，但这次已经有了异步结果result，所以流程不会被截断，最终会调用Function#apply(s)，而这个s是上一个函数的执行结果
      • 也就是说，新的CompletableFuture对象调用Function#apply()处理了上一个CompletableFuture产生的结果。

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  • CompletableFuture与FutureTask线程数对比：

    • CompletableFuture和FutureTask耗费的线程数是一致的，但对于FutureTask来说，无论是轮询还是阻塞get，都会导致主线程无法继续其他任务，又或者主线程可以继续其他任务，但要时不时check FutureTask是否已经完成任务，比较糟心。而CompletableFuture则会根据我们编排的顺序逐个回调，是按照既定路线执行的。

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    • 其实无论是哪种方式，异步线程其实都需要阻塞等待结果，期间不能处理其他任务。但对于FutureTask而言，在异步线程注定无法复用的前提下，如果想要获取最终结果，需要主线程主动查询或者额外开启一个线程查询，并且可能造成阻塞，而CompletableFuture的异步任务执行、任务结果获取都是异步线程独立完成。

    • 即，1个异步线程阻塞执行任务 + 回调异步结果 > 1个异步线程阻塞执行任务 + 1个线程阻塞查询任务。


posted @ 2021-01-16 11:13  iwehdio  阅读(3619)  评论(1)  编辑  收藏  举报