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23 | Future：如何用多线程实现最优的“烧水泡茶”程序？

23 | Future：如何用多线程实现最优的“烧水泡茶”程序？-极客时间

23 | Future：如何用多线程实现最优的“烧水泡茶”程序？

2019-04-20 王宝令 来自北京
《Java并发编程实战》
课程介绍

讲述：王宝令

时长06:52大小6.31M

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：
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。
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 写留言

精选留言(57)

  • aroll
    2019-04-20
    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

    共 13 条评论
    99
  • vector
    2019-04-21
    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。
    58
  • undifined
    2019-04-20
    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
    展开
    共 2 条评论
    40
  • Asanz
    2019-04-21
    不是不建议使用 Executors 创建线程池了吗？？？
    共 8 条评论
    23
  • Joker
    2019-11-06
    ``` 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
    展开

    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。

    共 4 条评论
    19
  • 张天屹
    2019-04-20
    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
    展开

    作者回复: 用线程池就用到了

    共 3 条评论
    10
  • 魏斌斌
    2019-06-17
    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

    共 3 条评论
    8
  • 三木禾
    2019-05-18
    这个可以用生产消费者模式啊
    6
  • Sunqc
    2019-04-30
    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

    5
  • ヾ(◍°∇°◍)ﾉﾞ
    2019-04-30
    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
    4
  • linqw
    2019-04-22
    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);}}
    展开

    作者回复: 没问题，就是有点复杂，代码还可以精简一下

    共 2 条评论
    3
  • henry
    2019-04-20
    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: 👍

    3
  • the only Mia’s
    2020-07-25
    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

    2
  • 稚者
    2019-11-01
    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。
    共 3 条评论
    2
  • 圆圜
    2019-04-22
    你这个不对啊，应该是executeservice.submit t2furturetask，不能直接提交t2
    2
  • 捞鱼的搬砖奇
    2019-04-21
    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。
    共 1 条评论
    2
  • QQ怪
    2019-04-20
    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👍
    2
  • 张三
    2019-04-20
    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。
    2
  • Geek_96a4cb
    2022-03-08
    课后思考题: Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(3); executor.submit(()->save(getPriceByS1())); executor.submit(()->save(getPriceByS2())); executor.submit(()->save(getPriceByS3()));
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  • Joker
    2020-12-30
    如只有一个人来操作的话，那么洗茶壶和洗水壶和洗水杯一定是会有先后顺序的，一次只能系一个壶，那么“洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶”这个步骤只能在烧水之后执行，这样，才是一个人的执行步骤吧。代码类似这样： ```java public static void main(String[] args) { CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1); FutureTask<String> fetchTea = new FutureTask<>(() -> { latch.await(); System.out.println("洗茶壶"); Thread.sleep(100L); System.out.println("洗茶杯"); Thread.sleep(200L); System.out.println("拿茶叶"); Thread.sleep(100L); return "大红袍"; }); FutureTask<String> boilWater = new FutureTask<>(() -> { System.out.println("wash kettle"); Thread.sleep(100L); System.out.println("boil water"); latch.countDown(); Thread.sleep(1500L); return "水开了, today take tea: "; }); ThreadFactory tf = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("brilliant wang make tea").build(); int numOfProcessors = Runtime.getRuntime().availableProcessors(); ThreadPoolExecutor tpe = new ThreadPoolExecutor(numOfProcessors, numOfProcessors * 2 + 1, 10, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100), tf); tpe.submit(fetchTea); tpe.submit(boilWater); try { String water = boilWater.get(10, TimeUnit.SECONDS); String tea = fetchTea.get(10, TimeUnit.SECONDS); System.out.println(water + tea); } catch (InterruptedException ig) { } catch (ExecutionException ig) { } catch (TimeoutException ig) { } } ````
    展开
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