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。

• 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()。

• 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。

• 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：

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。

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。

精选评论

点击查看

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不是不建议使用 Executors 创建线程池了吗？？？

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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 &#34;fromDb1&#34;;
    }
    private static String getPriceByS2() {
        return &#34;fromDb2&#34;;
    }
    private static String getPriceByS3() {
        return &#34;fromDb3&#34;;
    }
    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);}}

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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

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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。

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老师，在提交 Runnable 任务及结果引用的例子里面的x变量是什么?

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打卡。感觉很神奇，之前完全不会用。学的知识太陈旧了，继续学习。

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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

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public class ExecutorExample {

    private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);

    public static void main(String[] args) {
        FutureTask<String> st1 = new FutureTask<>(ExecutorExample::getPriceByS1);
        FutureTask<String> st2 = new FutureTask<>(ExecutorExample::getPriceByS2);
        FutureTask<String> st3 = new FutureTask<>(ExecutorExample::getPriceByS3);
        Runnable saveTask = () -> {
            List<FutureTask<String>> list = new ArrayList<FutureTask<String>>() {{
                add(st1);
                add(st2);
                add(st3);
            }};
            while (!list.isEmpty()) {
                Iterator<FutureTask<String>> it = list.iterator();
                while (it.hasNext()) {
                    FutureTask<String> ftask = it.next();
                    if (ftask.isDone()) {
                        try {
                            saveData(ftask.get());
                            it.remove();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        } catch (ExecutionException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }
        };

        executor.submit(st1);
        executor.submit(st2);
        executor.submit(st3);
        executor.submit(saveTask);
        
    }

    private static String getPriceByS1() {
        return &#34;fromDb1&#34;;
    }

    private static String getPriceByS2() {
        return &#34;fromDb2&#34;;
    }

    private static String getPriceByS3() {
        return &#34;fromDb3&#34;;
    }

    private static void saveData(String data) {
        //save data to db
        System.out.println(&#34;save data &#34; + data);
    }
}

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这个可以用生产消费者模式啊

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    static class S1QueryTask implements Callable<Double>{
        public Double call() throws Exception {
            Thread.sleep(1000);//模拟查询时间
            return Double.valueOf(10f);
        }
    }
    static class S2QueryTask implements Callable<Double>{
        public Double call() throws Exception {
            Thread.sleep(2000);//模拟查询时间
            return Double.valueOf(20f);
        }
    }
    static class S3QueryTask implements Callable<Double>{
        public Double call() throws Exception {
            Thread.sleep(3000);//模拟查询时间
            return Double.valueOf(30f);
        }
    }
    static class SaveTask implements Callable<Double>{
        final FutureTask<Double>[] queryfts;
        private SaveTask(FutureTask<Double>[] queryfts) {
            this.queryfts = queryfts;
        }
        private Double save(Double combRst) throws InterruptedException{
            Thread.sleep(500);//模拟保存时间
            return combRst;
        }
        public Double call() throws Exception {
            Double combRst = new Double(0f);
            for(FutureTask<Double> queryft : queryfts) {
                Double rst = queryft.get();
                if(rst != null) {
                    combRst += rst;
                }
            }
            return save(combRst);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        FutureTask<Double>[] queryfts = new FutureTask[] {new FutureTask<Double>(new S1QueryTask()),new FutureTask<Double>(new S2QueryTask()),new FutureTask<Double>(new S3QueryTask())};
        FutureTask<Double> saveft3 = new FutureTask<Double>(new SaveTask(queryfts));
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for(FutureTask<Double> queryft : queryfts) {
            executor.submit(queryft);
        }
        executor.submit(saveft3);
        try {
            Double combRst = saveft3.get();
            long end = System.currentTimeMillis();
            if(combRst != null) {
                System.out.println(&#34;保存成功,合并结果：&#34; + combRst);
            }else {
                System.out.println(&#34;保存失败&#34;);
            }
            System.out.println(&#34;耗时：&#34; + (end - start) + &#34;ms&#34;);
        } catch (InterruptedException e) {
            //按需处理
        } catch (ExecutionException e) {
            //按需处理
        } catch (TimeoutException e) {
            //按需处理
        }finally {
            executor.shutdown();
        }
    }

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课后问题: S2和S3应该引用S1的结果吧,S2,3通过s1.get来做业务逻辑.

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