Java 并发体系 - Java [Future] - 《Java 【笔记】》

Runnable接口存在的缺陷

1）不能返回一个返回值
第一个缺陷，对于 Runnable 而言，它不能返回一个返回值，虽然可以利用其他的一些办法，比如在 Runnable 方法中写入日志文件或者修改某个共享的对象的办法，来达到保存线程执行结果的目的，但这种解决问题的行为千曲百折，属于曲线救国，效率着实不高。
实际上，在很多情况下执行一个子线程时，我们都希望能得到执行的任务的结果，也就是说，我们是需要得到返回值的，比如请求网络、查询数据库等。可是 Runnable 不能返回一个返回值，这是它第一个非常严重的缺陷。

2）不能够抛出Checked Exception
我们在任务内容定义阶段，不能按照我们的想法抛出异常，显式的使用throw new Exception();，需要使用try{}catch{}语句捕获异常，不能够向上层抛出。

public interface Runnable {
   public abstract void run();
}

Runnable 是一个 interface，并且里面只有一个方法，叫作 public abstract void run()。这个方法已经规定了 run() 方法的返回类型是 void，而且这个方法没有声明抛出任何异常。所以，当实现并重写这个方法时，我们既不能改返回值类型，也不能更改对于异常抛出的描述，因为在实现方法的时候，语法规定是不允许对这些内容进行修改的。

Callable 接口
Callable 是一个类似于 Runnable 的接口，实现 Callable 接口的类和实现 Runnable 接口的类都是可以被其他线程执行的任务。我们看一下 Callable 的源码：

public interface Callable<V> {
     V call() throws Exception;
}

可以看出它也是一个 interface，并且它的 call 方法中已经声明了 throws Exception，前面还有一个 V 泛型的返回值，这就和之前的 Runnable 有很大的区别。实现 Callable 接口，就要实现 call 方法，这个方法的返回值是泛型 V，如果把 call 中计算得到的结果放到这个对象中，就可以利用 call 方法的返回值来获得子线程的执行结果了。

Callable 和 Runnable 的不同之处：

方法名，Callable 规定的执行方法是 call()，而 Runnable 规定的执行方法是 run()；
返回值，Callable 的任务执行后有返回值，而 Runnable 的任务执行后是没有返回值的；
抛出异常，call() 方法可抛出异常，而 run() 方法是不能抛出受检查异常的；
和 Callable 配合的有一个 Future 类，通过 Future 可以了解任务执行情况，或者取消任务的执行，还可获取任务执行的结果，这些功能都是 Runnable 做不到的，Callable 的功能要比 Runnable 强大。

Future 类
Future 最主要的作用是，比如当做一定运算的时候，运算过程可能比较耗时，有时会去查数据库，或是繁重的计算，比如压缩、加密等，在这种情况下，如果我们一直在原地等待方法返回，显然是不明智的，整体程序的运行效率会大大降低。我们可以把运算的过程放到子线程去执行，再通过 Future 去控制子线程执行的计算过程，最后获取到计算结果。这样一来就可以把整个程序的运行效率提高，是一种异步的思想。
Callable 接口相比于 Runnable 的一大优势是可以有返回结果，我们可以通过用Future 类的 get 方法来获取。因此，Future 相当于一个存储器，它存储了 Callable 的 call 方法的任务结果。除此之外，我们还可以通过 Future 的 isDone 方法来判断任务是否已经执行完毕了，还可以通过 cancel 方法取消这个任务，或限时获取任务的结果等，总之 Future 的功能比较丰富。

Future 的方法和用法
Future 接口的代码，一共有 5 个方法，代码如下所示：

public interface Future<V> {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutExceptio
}

get() 方法：获取结果
get 方法最主要的作用就是获取任务执行的结果，该方法在执行时的行为取决于 Callable 任务的状态，可能会发生以下 5 种情况。

最常见的就是当执行 get 的时候，任务已经执行完毕了，可以立刻返回，获取到任务执行的结果。
任务还没有结果，这是有可能的，比如我们往线程池中放一个任务，线程池中可能积压了很多任务，还没轮到我去执行的时候，就去 get 了，在这种情况下，相当于任务还没开始；还有一种情况是任务正在执行中，但是执行过程比较长，所以我去 get 的时候，它依然在执行的过程中。无论是任务还没开始或在进行中，我们去调用 get 的时候，都会把当前的线程阻塞，直到任务完成再把结果返回回来。
任务执行过程中抛出异常，一旦这样，我们再去调用 get 的时候，就会抛出 ExecutionException 异常，不管我们执行 call 方法时里面抛出的异常类型是什么，在执行 get 方法时所获得的异常都是 ExecutionException。
任务被取消了，如果任务被取消，我们用 get 方法去获取结果时则会抛出 CancellationException。
任务超时，get 方法有一个重载方法，那就是带延迟参数的，调用了这个带延迟参数的 get 方法之后，如果 call 方法在规定时间内正常顺利完成了任务，那么 get 会正常返回；但是如果到达了指定时间依然没有完成任务，get 方法则会抛出 TimeoutException，代表超时了。

isDone() 方法：判断是否执行完毕
这个方法如果返回 true 则代表执行完成了；如果返回 false 则代表还没完成。但这里如果返回 true，并不代表这个任务是成功执行的，比如说任务执行到一半抛出了异常。那么在这种情况下，对于这个 isDone 方法而言，它其实也是会返回 true 的，因为对它来说，虽然有异常发生了，但是这个任务在未来也不会再被执行，它确实已经执行完毕了。所以 isDone 方法在返回 true 的时候，不代表这个任务是成功执行的，只代表它执行完毕了。
我们用一个代码示例来看一看，代码如下所示：

public class GetException {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(20);
        Future<Integer> future = service.submit(new CallableTask());
        try {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println(i);
                Thread.sleep(500);
            }
            System.out.println(future.isDone());
            future.get();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    static class CallableTask implements Callable<Integer> {
        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            throw new IllegalArgumentException("Callable抛出异常");
        }
    }
}

代码的执行结果是这样的：

0
1
2
3
4
true
java.util.concurrent.ExecutionException: java.lang.IllegalArgumentException: Callable抛出异常
...

这段代码证明了三件事情：第一件事情，即便任务抛出异常，isDone 方法依然会返回 true；第二件事情，虽然抛出的异常是 IllegalArgumentException，但是对于 get 而言，它抛出的异常依然是 ExecutionException；第三个事情，虽然在任务执行一开始时就抛出了异常，但是真正要等到我们执行 get 的时候，才看到了异常。
**
cancel 方法：取消任务的执行
如果不想执行某个任务了，则可以使用 cancel 方法，会有以下三种情况：
第一种情况最简单，那就是当任务还没有开始执行时，一旦调用 cancel，这个任务就会被正常取消，未来也不会被执行，那么 cancel 方法返回 true。
第二种情况也比较简单。如果任务已经完成，或者之前已经被取消过了，那么执行 cancel 方法则代表取消失败，返回 false。因为任务无论是已完成还是已经被取消过了，都不能再被取消了。
第三种情况比较特殊，就是这个任务正在执行，这个时候执行 cancel 方法是不会直接取消这个任务的，而是会根据我们传入的参数做判断。cancel 方法是必须传入一个参数，该参数叫作 mayInterruptIfRunning，它是什么含义呢？如果传入的参数是 true，执行任务的线程就会收到一个中断的信号，正在执行的任务可能会有一些处理中断的逻辑，进而停止，这个比较好理解。如果传入的是 false 则就代表不中断正在运行的任务，也就是说，本次 cancel 不会有任何效果，同时 cancel 方法会返回 false。
那么如何选择传入 true 还是 false 呢？
传入 true 适用的情况是，明确知道这个任务能够处理中断。
传入 false 适用于什么情况呢？

如果我们明确知道这个线程不能处理中断，那应该传入 false。
我们不知道这个任务是否支持取消（是否能响应中断），因为在大多数情况下代码是多人协作的，对于这个任务是否支持中断，我们不一定有十足的把握，那么在这种情况下也应该传入 false。
如果这个任务一旦开始运行，我们就希望它完全的执行完毕。在这种情况下，也应该传入 false。

isCancelled() 方法：判断是否被取消
最后一个方法是 isCancelled 方法，判断是否被取消，它和 cancel 方法配合使用，比较简单。

用 FutureTask 来创建 Future
除了用线程池的 submit 方法会返回一个 future 对象之外，同样还可以用 FutureTask 来获取 Future 类和任务的结果。
FutureTask 首先是一个任务（Task），然后具有 Future 接口的语义，因为它可以在将来（Future）得到执行的结果。
我们来看一下 FutureTask 的代码实现：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>{
 ...
}

它实现了一个接口，这个接口叫作 RunnableFuture。我们再来看一下 RunnableFuture 接口的代码实现：

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run();
}

可以看出，它是 extends Runnable 和 Future 这两个接口的，它们的关系如下图所示：
Java [Future] - 图2
既然 RunnableFuture 继承了 Runnable 接口和 Future 接口，而 FutureTask 又实现了 RunnableFuture 接口，所以 FutureTask 既可以作为 Runnable 被线程执行，又可以作为 Future 得到 Callable 的返回值。
典型用法是，把 Callable 实例当作 FutureTask 构造函数的参数，生成 FutureTask 的对象，然后把这个对象当作一个 Runnable 对象，放到线程池中或另起线程去执行，最后还可以通过 FutureTask 获取任务执行的结果。
代码来演示一下：

/**
 * 描述：     演示 FutureTask 的用法
 */
public class FutureTaskDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Task task = new Task();
        FutureTask<Integer> integerFutureTask = new FutureTask<>(task);
        new Thread(integerFutureTask).start();
        try {
            System.out.println("task运行结果："+integerFutureTask.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

class Task implements Callable<Integer> {

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子线程正在计算");
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            sum += i;
        }
        return sum;
    }

}

Future 的注意点

当 for 循环批量获取 Future 的结果时容易 block，get 方法调用时应使用 timeout 限制。对于 Future 而言，第一个注意点就是，当 for 循环批量获取 Future 的结果时容易 block，在调用 get 方法时，应该使用 timeout 来限制。
Future 的生命周期不能后退，一旦完成了任务，它就永久停在了“已完成”的状态，不能从头再来，也不能让一个已经完成计算的 Future 再次重新执行任务。

旅游平台问题（同时调用多个依赖的外部接口）
什么是旅游平台问题呢？如果想要搭建一个旅游平台，经常会有这样的需求，那就是用户想同时获取多家航空公司的航班信息。比如，从北京到上海的机票钱是多少？有很多家航空公司都有这样的航班信息，所以应该把所有航空公司的航班、票价等信息都获取到，然后再聚合。由于每个航空公司都有自己的服务器，所以分别去请求它们的服务器就可以了，比如请求国航、海航、东航等，如下图所示：

串行获取

任务消耗时间为三次请求的耗时总和。
并发获取

任务耗时为最长的那次任务耗时。
有超时时间的并行获取

如果任务都在超时时间内返回，则全部返回；如果有任务超过超时间还没有返回就丢弃。

CompletableFuture
我们再来看一下用 CompletableFuture 来实现这个功能的用法，代码如下所示：

public class CompletableFutureDemo {

    public static void main(String[] args)
            throws Exception {
        CompletableFutureDemo completableFutureDemo = new CompletableFutureDemo();
        System.out.println(completableFutureDemo.getPrices());
    }

    private Set<Integer> getPrices() {
        Set<Integer> prices = Collections.synchronizedSet(new HashSet<Integer>());
        CompletableFuture<Void> task1 = CompletableFuture.runAsync(new Task(123, prices));
        CompletableFuture<Void> task2 = CompletableFuture.runAsync(new Task(456, prices));
        CompletableFuture<Void> task3 = CompletableFuture.runAsync(new Task(789, prices));
        CompletableFuture<Void> allTasks = CompletableFuture.allOf(task1, task2, task3);
        try {
            allTasks.get(3, TimeUnit.SECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
        } catch (ExecutionException e) {
        } catch (TimeoutException e) {
        }
        return prices;
    }

    private class Task implements Runnable {

        Integer productId;
        Set<Integer> prices;

        public Task(Integer productId, Set<Integer> prices) {
            this.productId = productId;
            this.prices = prices;
        }

        @Override
        public void run() {
            int price = 0;
            try {
                Thread.sleep((long) (Math.random() * 4000));
                price = (int) (Math.random() * 4000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            prices.add(price);
        }
    }

}