多執行緒系列(十九) -Future使用詳解

程序员志哥發表於2024-03-14
執行緒

一、摘要

在前幾篇執行緒系列文章中，我們介紹了執行緒池的相關技術，任務執行類只需要實現Runnable介面，然後交給執行緒池，就可以輕鬆的實現非同步執行多個任務的目標，提升程式的執行效率，比如如下非同步執行任務下載。

// 建立一個執行緒池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
// 提交任務
executor.submit(new Runnable() {

    @Override
    public void run() {
        // 執行下載某檔案任務
        System.out.println("執行下載某檔案任務");
    }
});

而實際上Runnable介面並不能滿足所有的需求，比如有些場景下，我們想要獲取任務執行的返回結果，Runnable介面因為無返回值，只能想辦法透過額外的方式來寫入和讀取，操作起來十分不便。

因此，從 JDK 1.5 開始，Java 標準庫提供了一個Callable介面，與Runnable介面相比，它的方法上多了一個返回值；同時Callable是一個泛型介面，可以返回指定型別的結果，比如如下的實現類！

public class Task implements Callable<String> {

    @Override
    public String call() throws Exception {
        // 執行下載某檔案任務
        System.out.println("執行下載某檔案任務");
        return "xxx";
    }
}

問題來了，如何獲取非同步執行的結果呢？

在 JDK 1.5 中，Java 標準庫還提供了一個Future介面，它可以用來獲取非同步執行的結果。

下面我們一起來了解一下這個Future介面！

二、Future

Future介面，表示一個可能還沒有完成非同步任務的結果，它提供了檢查任務是否已完成、以及等待任務完成並獲取結果等方法。

如果看過ExecutorService.submit()方法，會發現它的返回引數都是Future型別，Future型別的例項可以用來獲取非同步任務執行的結果。

下面我們先來看一個簡單的示例，以便於更好的理解！

public class Task implements Callable<String> {
    
    @Override
    public String call() throws Exception {
        // 執行下載某檔案任務，並返回檔名稱
        System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + " 開始執行下載任務");
        return "xxx.png";
    }
}

public class FutureTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 建立一個執行緒池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
        // 初始化一個任務
        Callable<String> task = new Task();
        // 提交任務並獲得Future的例項
        Future<String> future = executor.submit(task);
        // 從Future獲取非同步執行返回的結果(可能會阻塞等待結果)
        String result =future.get();
        System.out.println("任務執行結果：" +  result);

        // 任務執行完畢之後，關閉執行緒池（可選）
        executor.shutdown();
    }
}

輸出結果如下：

thread name:pool-1-thread-1 開始執行下載任務
任務執行結果：xxx.png

從以上的示例可以清晰的看到，當需要獲取非同步執行緒的執行結果返回值時，通常需要搭配使用Future和Callable介面來實現，大體可以用如下步驟來概括：

  • 1.首先提交一個實現Callable介面的任務到執行緒池中
  • 2.然後獲取一個Future型別的物件
  • 3.最後在主執行緒中呼叫Future物件的get()方法，如果非同步任務執行完成，就可以直接獲得結果；如果非同步任務執行沒有完成，get()方法會阻塞，直到任務執行完成後才能獲取結果

分析原始碼你會發現，Callable介面主要用途是定義一個支援返回結果的方法；重點實現主要集中在Future介面上。

下面我們重點來看下Future介面方法！

2.1、Future 介面方法

方法 描述
get() 獲取結果（會阻塞等待）
get(long timeout, TimeUnit unit) 在指定的時間內獲取結果，如果超時，會拋異常並退出等待狀態
cancel(boolean mayInterruptIfRunning) 嘗試取消當前任務，當傳入引數為true時，表示嘗試中斷任務的執行，false表示不中斷，繼續執行直到完成，如果取消成功，返回true；反之false
isCancelled() 判斷任務是否已取消
isDone() 判斷任務是否已完成

2.2、Future 介面實現類

Future本質其實是一個介面，並不是具體的實現類，真正負責工作的還是它的實現類來完成。

我們還是以上文的執行緒池ExecutorService.submit()方法為例，看看它用的是哪種實現類！

分析一下原始碼，會發現執行緒池用的實現類是FutureTask，關鍵核心原始碼如下：

protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
    return new FutureTask<T>(callable);
}

FutureTask類是一個實現了Future介面所有功能的具體類，可直接使用它來實現獲取非同步任務執行的結果值。

FutureTask的工作原理其實也並不複雜，它接受一個Callable或者Runnable物件作為引數，然後線上程池執行器中執行該任務，最後透過get()方法可以同步等待獲取任務的執行結果。

真正起到關鍵作用的是，在FutureTask內部，封裝了一個狀態變數，用於記錄任務的狀態（等待、執行、完成、取消等），以及任務執行結果或異常資訊，透過該狀態變數，我們可以判斷任務是否已完成、以及獲取任務的執行結果等資訊。

因為FutureTask也實現了Runnable介面，因此我們也可以將FutureTask作為任務，提交給執行緒池執行器。

具體示例如下：

public class FutureTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1.建立一個執行緒池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
        // 2.初始化一個任務
        Callable<String> callable = new Task();
        // 3.建立FutureTask物件
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(callable);
        // 4.提交任務給執行器執行
        executor.execute(futureTask);
        // 5.獲取任務的執行結果
        String result = futureTask.get(3, TimeUnit.SECONDS);
        System.out.println("任務執行結果：" +  result);
        // 6.關閉執行緒池（可選）
        executor.shutdown();
    }
}

輸出結果同上！

如果想嘗試取消任務的執行，也可以透過如下方式來實現！

boolean isSuccess = futureTask.cancel(true);
System.out.println("任務是否取消成功：" +  isSuccess);

除此之外，如果仔細的分析Future介面的類關係，會發現它的實現類非常的多，FutureTask只是它的一個基礎實現類而已，部分類關係圖如下！

其它常用實現類簡介：

  • CompletableFuture：支援傳入回撥物件，當非同步任務完成或者發生異常時，自動呼叫回撥物件的回撥方法
  • ForkJoinTask：支援把一個大任務拆成多個小任務，然後並行執行，在多核 CPU 上可以顯著提升程式的執行效率
  • ScheduledFuture：支援週期性定時的執行任務，其中ScheduledFutureTask是一個私有類，只能透過ScheduledThreadPoolExecutor初始化操作

關於CompletableFuture、ForkJoinTask和ScheduledFuture，我們會在後面的文章中，再次單獨介紹具體的用法。

三、小結

本文主要圍繞Future介面用法做了一次簡單的知識總結，其中FutureTask類是Future介面中一個非常重要的實現類，透過它可以獲取非同步任務執行的返回值，通常用於非同步計算帶有返回值的任務。

限於篇幅的原因，本文沒有對FutureTask做過深入的原理講解，主要圍繞具體用法進行介紹，有興趣的朋友可以閱讀這篇文章《Java的Future機制詳解》，以便更清晰的瞭解它的實現原理。

如果有描述不對的地方，歡迎留言指出，共同進步！

四、參考

1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581155184674

2.https://www.cnblogs.com/xrq730/p/4872722.html

3.https://juejin.cn/post/7231074060787908663

4.https://zhuanlan.zhihu.com/p/54459770

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