23 | Future:如何用多线程实现最优的“烧水泡茶”程序?

在上一篇文章《22 | Executor与线程池:如何创建正确的线程池?》中,我们详细介绍了如何创建正确的线程池,那创建完线程池,我们该如何使用呢?在上一篇文章中,我们仅仅介绍了ThreadPoolExecutor的 void execute(Runnable command) 方法,利用这个方法虽然可以提交任务,但是却没有办法获取任务的执行结果(execute()方法没有返回值)。而很多场景下,我们又都是需要获取任务的执行结果的。那ThreadPoolExecutor是否提供了相关功能呢?必须的,这么重要的功能当然需要提供了。

下面我们就来介绍一下使用ThreadPoolExecutor的时候,如何获取任务执行结果。

如何获取任务执行结果

Java通过ThreadPoolExecutor提供的3个submit()方法和1个FutureTask工具类来支持获得任务执行结果的需求。下面我们先来介绍这3个submit()方法,这3个方法的方法签名如下。

// 提交Runnable任务
Future<?> 
  submit(Runnable task);
// 提交Callable任务
<T> Future<T> 
  submit(Callable<T> task);
// 提交Runnable任务及结果引用  
<T> Future<T> 
  submit(Runnable task, T result);

你会发现它们的返回值都是Future接口,Future接口有5个方法,我都列在下面了,它们分别是取消任务的方法cancel()、判断任务是否已取消的方法isCancelled()、判断任务是否已结束的方法isDone()以及2个获得任务执行结果的get()和get(timeout, unit),其中最后一个get(timeout, unit)支持超时机制。通过Future接口的这5个方法你会发现,我们提交的任务不但能够获取任务执行结果,还可以取消任务。不过需要注意的是:这两个get()方法都是阻塞式的,如果被调用的时候,任务还没有执行完,那么调用get()方法的线程会阻塞,直到任务执行完才会被唤醒。

// 取消任务
boolean cancel(
  boolean mayInterruptIfRunning);
// 判断任务是否已取消  
boolean isCancelled();
// 判断任务是否已结束
boolean isDone();
// 获得任务执行结果
get();
// 获得任务执行结果,支持超时
get(long timeout, TimeUnit unit);

这3个submit()方法之间的区别在于方法参数不同,下面我们简要介绍一下。

  1. 提交Runnable任务 submit(Runnable task) :这个方法的参数是一个Runnable接口,Runnable接口的run()方法是没有返回值的,所以 submit(Runnable task) 这个方法返回的Future仅可以用来断言任务已经结束了,类似于Thread.join()。
  2. 提交Callable任务 submit(Callable<T> task):这个方法的参数是一个Callable接口,它只有一个call()方法,并且这个方法是有返回值的,所以这个方法返回的Future对象可以通过调用其get()方法来获取任务的执行结果。
  3. 提交Runnable任务及结果引用 submit(Runnable task, T result):这个方法很有意思,假设这个方法返回的Future对象是f,f.get()的返回值就是传给submit()方法的参数result。这个方法该怎么用呢?下面这段示例代码展示了它的经典用法。需要你注意的是Runnable接口的实现类Task声明了一个有参构造函数 Task(Result r) ,创建Task对象的时候传入了result对象,这样就能在类Task的run()方法中对result进行各种操作了。result相当于主线程和子线程之间的桥梁,通过它主子线程可以共享数据。
ExecutorService executor 
  = Executors.newFixedThreadPool(1);
// 创建Result对象r
Result r = new Result();
r.setAAA(a);
// 提交任务
Future<Result> future = 
  executor.submit(new Task(r), r);  
Result fr = future.get();
// 下面等式成立
fr === r;
fr.getAAA() === a;
fr.getXXX() === x

class Task implements Runnable{
  Result r;
  //通过构造函数传入result
  Task(Result r){
    this.r = r;
  }
  void run() {
    //可以操作result
    a = r.getAAA();
    r.setXXX(x);
  }
}

下面我们再来介绍FutureTask工具类。前面我们提到的Future是一个接口,而FutureTask是一个实实在在的工具类,这个工具类有两个构造函数,它们的参数和前面介绍的submit()方法类似,所以这里我就不再赘述了。

FutureTask(Callable<V> callable);
FutureTask(Runnable runnable, V result);

那如何使用FutureTask呢?其实很简单,FutureTask实现了Runnable和Future接口,由于实现了Runnable接口,所以可以将FutureTask对象作为任务提交给ThreadPoolExecutor去执行,也可以直接被Thread执行;又因为实现了Future接口,所以也能用来获得任务的执行结果。下面的示例代码是将FutureTask对象提交给ThreadPoolExecutor去执行。

// 创建FutureTask
FutureTask<Integer> futureTask
  = new FutureTask<>(()-> 1+2);
// 创建线程池
ExecutorService es = 
  Executors.newCachedThreadPool();
// 提交FutureTask 
es.submit(futureTask);
// 获取计算结果
Integer result = futureTask.get();

FutureTask对象直接被Thread执行的示例代码如下所示。相信你已经发现了,利用FutureTask对象可以很容易获取子线程的执行结果。

// 创建FutureTask
FutureTask<Integer> futureTask
  = new FutureTask<>(()-> 1+2);
// 创建并启动线程
Thread T1 = new Thread(futureTask);
T1.start();
// 获取计算结果
Integer result = futureTask.get();

实现最优的“烧水泡茶”程序

记得以前初中语文课文里有一篇著名数学家华罗庚先生的文章《统筹方法》,这篇文章里介绍了一个烧水泡茶的例子,文中提到最优的工序应该是下面这样:

烧水泡茶最优工序

下面我们用程序来模拟一下这个最优工序。我们专栏前面曾经提到,并发编程可以总结为三个核心问题:分工、同步和互斥。编写并发程序,首先要做的就是分工,所谓分工指的是如何高效地拆解任务并分配给线程。对于烧水泡茶这个程序,一种最优的分工方案可以是下图所示的这样:用两个线程T1和T2来完成烧水泡茶程序,T1负责洗水壶、烧开水、泡茶这三道工序,T2负责洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶三道工序,其中T1在执行泡茶这道工序时需要等待T2完成拿茶叶的工序。对于T1的这个等待动作,你应该可以想出很多种办法,例如Thread.join()、CountDownLatch,甚至阻塞队列都可以解决,不过今天我们用Future特性来实现。

烧水泡茶最优分工方案

下面的示例代码就是用这一章提到的Future特性来实现的。首先,我们创建了两个FutureTask——ft1和ft2,ft1完成洗水壶、烧开水、泡茶的任务,ft2完成洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶的任务;这里需要注意的是ft1这个任务在执行泡茶任务前,需要等待ft2把茶叶拿来,所以ft1内部需要引用ft2,并在执行泡茶之前,调用ft2的get()方法实现等待。

// 创建任务T2的FutureTask
FutureTask<String> ft2
  = new FutureTask<>(new T2Task());
// 创建任务T1的FutureTask
FutureTask<String> ft1
  = new FutureTask<>(new T1Task(ft2));
// 线程T1执行任务ft1
Thread T1 = new Thread(ft1);
T1.start();
// 线程T2执行任务ft2
Thread T2 = new Thread(ft2);
T2.start();
// 等待线程T1执行结果
System.out.println(ft1.get());

// T1Task需要执行的任务:
// 洗水壶、烧开水、泡茶
class T1Task implements Callable<String>{
  FutureTask<String> ft2;
  // T1任务需要T2任务的FutureTask
  T1Task(FutureTask<String> ft2){
    this.ft2 = ft2;
  }
  @Override
  String call() throws Exception {
    System.out.println("T1:洗水壶...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    
    System.out.println("T1:烧开水...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(15);
    // 获取T2线程的茶叶  
    String tf = ft2.get();
    System.out.println("T1:拿到茶叶:"+tf);

    System.out.println("T1:泡茶...");
    return "上茶:" + tf;
  }
}
// T2Task需要执行的任务:
// 洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶
class T2Task implements Callable<String> {
  @Override
  String call() throws Exception {
    System.out.println("T2:洗茶壶...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

    System.out.println("T2:洗茶杯...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

    System.out.println("T2:拿茶叶...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    return "龙井";
  }
}
// 一次执行结果:
T1:洗水壶...
T2:洗茶壶...
T1:烧开水...
T2:洗茶杯...
T2:拿茶叶...
T1:拿到茶叶:龙井
T1:泡茶...
上茶:龙井

总结

利用Java并发包提供的Future可以很容易获得异步任务的执行结果,无论异步任务是通过线程池ThreadPoolExecutor执行的,还是通过手工创建子线程来执行的。Future可以类比为现实世界里的提货单,比如去蛋糕店订生日蛋糕,蛋糕店都是先给你一张提货单,你拿到提货单之后,没有必要一直在店里等着,可以先去干点其他事,比如看场电影;等看完电影后,基本上蛋糕也做好了,然后你就可以凭提货单领蛋糕了。

利用多线程可以快速将一些串行的任务并行化,从而提高性能;如果任务之间有依赖关系,比如当前任务依赖前一个任务的执行结果,这种问题基本上都可以用Future来解决。在分析这种问题的过程中,建议你用有向图描述一下任务之间的依赖关系,同时将线程的分工也做好,类似于烧水泡茶最优分工方案那幅图。对照图来写代码,好处是更形象,且不易出错。

课后思考

不久前听说小明要做一个询价应用,这个应用需要从三个电商询价,然后保存在自己的数据库里。核心示例代码如下所示,由于是串行的,所以性能很慢,你来试着优化一下吧。

// 向电商S1询价,并保存
r1 = getPriceByS1();
save(r1);
// 向电商S2询价,并保存
r2 = getPriceByS2();
save(r2);
// 向电商S3询价,并保存
r3 = getPriceByS3();
save(r3);

欢迎在留言区与我分享你的想法,也欢迎你在留言区记录你的思考过程。感谢阅读,如果你觉得这篇文章对你有帮助的话,也欢迎把它分享给更多的朋友。

精选留言

  • aroll

    2019-04-20 17:59:54

    建议并发编程课程中的Demo代码,尽量少使用System.out.println, 因为其实现有使用隐式锁,一些情况还会有锁粗化产生
    作者回复

    好建议

    2019-04-20 22:07:03

  • vector

    2019-04-21 23:37:15

    最近使用CompletableFuture工具方法以及lamda表达式比较多,语言语法的变化带来编码效率的提升真的很大。
  • undifined

    2019-04-20 08:42:10

    课后题:
    可以用 Future
    ExecutorService threadPoolExecutor = Executors.newFixedThreadPool(3);
    Future<R> future1 = threadPoolExecutor.submit(Test::getPriceByS1);
    Future<R> future2 = threadPoolExecutor.submit(Test::getPriceByS2);
    Future<R> future3 = threadPoolExecutor.submit(Test::getPriceByS3);
    R r1 = future1.get();
    R r2 = future2.get();
    R r3 = future3.get();

    也可以用 CompletableFuture
    CompletableFuture<R> completableFuture1 = CompletableFuture.supplyAsync(Test::getPriceByS1);
    CompletableFuture<R> completableFuture2 = CompletableFuture.supplyAsync(Test::getPriceByS2);
    CompletableFuture<R> completableFuture3 = CompletableFuture.supplyAsync(Test::getPriceByS3);
    CompletableFuture.allOf(completableFuture1, completableFuture2, completableFuture3)
    .thenAccept(System.out::println);
    老师这样理解对吗 谢谢老师
  • Asanwos

    2019-04-21 18:15:07

    不是不建议使用 Executors 创建线程池了吗???
  • Joker

    2019-11-06 18:37:59

    ``` java
    ExecutorService futuresPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
    Future<Price> future1 = futuresPool.submit(this::getPriceByS1);
    Future<Price> future2 = futuresPool.submit(this::getPriceByS2);
    Future<Price> future3 = futuresPool.submit(this::getPriceByS3);

    ExecutorService saveThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
    saveThreadPool.execute(() -> {
    try {
    Price r1= future1.get();
    save(r1);
    } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
    } catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
    }

    });
    saveThreadPool.execute(() -> {
    try {
    Price r2= future2.get();
    save(r2);
    } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
    } catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
    }

    });
    saveThreadPool.execute(() -> {
    try {
    Price r3= future3.get();
    save(r3);
    } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
    } catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
    }
    });
    ```

    用三个线程把这个并行执行,麻烦老师看看,谢谢
    作者回复

    我觉得没问题。也可以用一个线程池,把查询和保存放一个线程里。

    2019-11-06 21:41:37

  • 张天屹

    2019-04-20 07:50:51

    我不知道是不是理解错老师意思了,先分析依赖有向图,可以看到三条线,没有入度>1的节点
    那么启动三个线程即可。
    图:
    s1询价 -> s1保存
    s2询价 -> s2保存
    s3询价 -> s3保存
    代码:
    new Thread(() -> {
    r1 = getPriceByS1();
    save(r1);
    }).start();
    new Thread(() -> {
    r2 = getPriceByS2();
    save(r2);
    }).start();
    new Thread(() -> {
    r3 = getPriceByS3();
    save(r3);
    }).start();
    我觉得这里不需要future,除非询价和保存之间还有别的计算工作
    作者回复

    用线程池就用到了

    2019-04-20 13:22:57

  • 魏斌斌

    2019-06-17 20:33:51

    老师,我看了下futruerask的源码,当调用futrue.get()方法,其实最终会调用unsafe方法是当前线程阻塞。但是我不太理解线程阻塞到哪去了,也没看到锁。
    作者回复

    可以看看操作系统原理有关线程,进程的那部分

    2019-06-22 07:51:34

  • 三木禾

    2019-05-18 18:25:37

    这个可以用生产消费者模式啊
  • Sunqc

    2019-04-30 07:34:22

    老师,你所说的订蛋糕,我这样理解对吗,把任务提交给线程池就是让蛋糕店做蛋糕;去看电影就是主线程做其他事,提货单是对应调用future的get
    作者回复

    理解的对

    2019-04-30 10:09:42

  • ヾ(◍°∇°◍)ノ゙

    2019-04-30 23:20:21

    分别提交三个futuretask给线程池,然后最后分别get出结果,统一进行保存数据库
  • the only Mia’s

    2020-07-25 07:43:38

    老师,jdk 8提供的CompletableFuture,以后异步处理是不是可以直接用此替代
    作者回复

    可以

    2020-07-26 18:56:45

  • linqw

    2019-04-22 23:55:23

    课后习题,老师帮忙看下哦
    public class ExecutorExample {
    private static final ExecutorService executor;
    static {executor = new ThreadPoolExecutor(4, 8, 1, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(1000), runnable -> null, (r, executor) -> {//根据业务降级策略});
    }
    static class S1Task implements Callable<String> {
    @Override
    public String call() throws Exception {return getPriceByS1();}}
    static class S2Task implements Callable<String> {
    @Overridepublic String call() throws Exception {return getPriceByS2();}}
    static class S3Task implements Callable<String> {@Override public String call() throws Exception {return getPriceByS3();}}
    static class SaveTask implements Callable<Boolean> {private List<FutureTask<String>> futureTasks; public SaveTask(List<FutureTask<String>> futureTasks) {this.futureTasks = futureTasks;
    }
    @Override
    public Boolean call() throws Exception {
    for (FutureTask<String> futureTask : futureTasks) {
    String data = futureTask.get(10, TimeUnit.SECONDS);
    saveData(data);
    }
    return Boolean.TRUE;
    }
    }
    private static String getPriceByS1() {
    return "fromDb1";
    }
    private static String getPriceByS2() {
    return "fromDb2";
    }
    private static String getPriceByS3() {
    return "fromDb3";
    }
    private static void saveData(String data) {
    //save data to db
    }
    public static void main(String[] args) {
    S1Task s1Task = new S1Task();FutureTask<String> st1 = new FutureTask<>(s1Task);S2Task s2Task = new S2Task();FutureTask<String> st2 = new FutureTask<>(s2Task);S3Task s3Task = new S3Task();FutureTask<String> st3 = new FutureTask<>(s3Task);List<FutureTask<String>> futureTasks = Lists.<FutureTask<String>>newArrayList(st1, st2, st3);FutureTask<Boolean> saveTask = new FutureTask<>(new SaveTask(futureTasks));executor.submit(st1);executor.submit(st2);executor.submit(st3);executor.submit(saveTask);}}
    作者回复

    没问题,就是有点复杂,代码还可以精简一下

    2019-04-23 08:16:37

  • henry

    2019-04-20 08:29:44

    现在是在主线程串行完成3个询价的任务,执行第一个任务,其它2个任务只能等待执行,如果要提高效率,这个地方需要改进,可以用老师今天讲的futuretask,三个询价任务改成futuretask并行执行,效率会提高
    作者回复

    👍

    2019-04-20 13:21:56

  • 见南山

    2020-04-27 21:00:01

    给最后问题再加一步,询价后,得到最小的一家。题就比较好了
  • 女巫在寒江

    2020-04-06 16:03:59

    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);

    executor.submit(new Task1());
    executor.submit(new Task2());
    executor.submit(new Task3());

    class Task1 implement Runnable {
    void run(){
    r = getPriceByS1();
    save(r);
    }
    }

    class Task2 implement Runnable {
    void run(){
    r = getPriceByS2();
    save(r);
    }
    }

    class Task3 implement Runnable {
    void run(){
    r = getPriceByS3();
    save(r);
    }
    }
  • 稚者

    2019-11-01 11:07:47

    烧水泡茶的Demo有点小问题,Task2的启动时间应该在Task1的洗茶壶之后开始,现在的代码是一起开始。
  • 圆圜

    2019-04-22 09:24:45

    你这个不对啊,应该是executeservice.submit t2furturetask,不能直接提交t2
  • 张德

    2019-04-21 23:27:13

    我也同意张天屹同学的观点 这个询价操作如果之间没有联系的话 直接起三个线程就可以了 老师能不能讲一下 用线程池怎么就有关联了?
    作者回复

    如果每分钟询价1万次,还能直接创建线程吗?联系指的是线程池和future,不是三个查询操作

    2019-04-22 08:22:23

  • 捞鱼的搬砖奇

    2019-04-21 01:44:29

    Future的get()是拿到任务的执行结果不吧。为什么又说是拿到方法的入参了。
  • QQ怪

    2019-04-20 12:41:39

    在实际项目中应用已经应用到了Feture,但没有使用线程池,没有那么优雅,所以算是get到了👍