java Future 和 google guava的FutureCallback，promise，jdk8的CompletableFuture等异步编程笔记_google futurecallback

Future，FutureCallback，promise都是多线程编程中，线程间同步的方式。

1.jdk的future，jdk 1.8

与futureTask,Callable 等数据结构用，用于获取异步执行的线程的返回结果。

java创建线程的方式只有Thread，runnable接口只是给Thread类提供执行的任务和业务逻辑，Thread的start方法才启动一个线程来执行。　callable方法不是直接被thread类使用的，是和futureTask一起使用，futureTask中的run方法中调用Callable类的call方法，获取返回值.

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    /**
     * Sets this Future to the result of its computation
     * unless it has been cancelled.
     */
    void run();
}

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

    /** The underlying callable; nulled out after running */
    private Callable<V> callable;
    /** The result to return or exception to throw from get() */
    private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes
    /** The thread running the callable; CASed during run() */
    private volatile Thread runner;
    /** Treiber stack of waiting threads */
    private volatile WaitNode waiters;

...

    public void run() {
        if (state != NEW ||
            !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                         null, Thread.currentThread()))
            return;
        try {
            Callable<V> c = callable;
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
                try {
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex);
                }
                if (ran)
                    set(result);
            }
        } finally {
            // runner must be non-null until state is settled to
            // prevent concurrent calls to run()
            runner = null;
            // state must be re-read after nulling runner to prevent
            // leaked interrupts
            int s = state;
            if (s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
    }

 

future 用于获取线程执行结果，通常情况下，get方法会阻塞等到线程执行完毕，最底层的机制还是通过互斥锁+条件变量，来实现等待通知机制，这样避免自旋和轮询，长期占用cpu.

   /**
     * @throws CancellationException {@inheritDoc}
     */
    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L);
        return report(s);
    }

    /**
     * @throws CancellationException {@inheritDoc}
     */
    public V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
        if (unit == null)
            throw new NullPointerException();
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING &&
            (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
            throw new TimeoutException();
        return report(s);
    }

awaitDone方法实际执行等待操作。如果已经执行完毕，直接返回状态，如果是COMPLETING，放弃cpu,等待下一次调度，如果是其他状态，最终毁掉用unsafe.park函数阻塞，等待unpark函数的唤醒。

   /**
     * Awaits completion or aborts on interrupt or timeout.
     *
     * @param timed true if use timed waits
     * @param nanos time to wait, if timed
     * @return state upon completion
     */
    private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
        final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
        WaitNode q = null;
        boolean queued = false;
        for (;;) {
            if (Thread.interrupted()) {
                removeWaiter(q);
                throw new InterruptedException();
            }

            int s = state;
            if (s > COMPLETING) {
                if (q != null)
                    q.thread = null;
                return s;
            }
            else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
                Thread.yield();
            else if (q == null)
                q = new WaitNode();
            else if (!queued)
                queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                     q.next = waiters, q);
            else if (timed) {
                nanos = deadline - System.nanoTime();
                if (nanos <= 0L) {
                    removeWaiter(q);
                    return state;
                }
                LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
            else
                LockSupport.park(this);
        }
    }

 

futureTask的run函数在执行完成call函数后，会调用finishCompletion函数，来唤醒等待在future的get方法上的线程

   /**
     * Removes and signals all waiting threads, invokes done(), and
     * nulls out callable.
     */
    private void finishCompletion() {
        // assert state > COMPLETING;
        for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
            if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
                for (;;) {
                    Thread t = q.thread;
                    if (t != null) {
                        q.thread = null;
                        LockSupport.unpark(t);
                    }
                    WaitNode next = q.next;
                    if (next == null)
                        break;
                    q.next = null; // unlink to help gc
                    q = next;
                }
                break;
            }
        }

        done();

        callable = null;        // to reduce footprint
    }

 

2.guava的FutureCallback

FutureCallback 可以在任务执行完毕后，自动调用注册的回调函数，不用再其他线程get结果后再进行处理。Callback的实现原理可以的想到在对应的Future中维护一个Callback链表，当任务执行完成后依次执行对应的回调，类似于观察者模式的Subject依次调用Observer。使用callback机制可能存在一个嵌套的问题，俗称回调地狱。

  public static <V> void addCallback(final ListenableFuture<V> future,
      final FutureCallback<? super V> callback, Executor executor) {
    Preconditions.checkNotNull(callback);
    Runnable callbackListener = new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        final V value;
        try {
          // TODO(user): (Before Guava release), validate that this
          // is the thing for IE.
          value = getUninterruptibly(future);
        } catch (ExecutionException e) {
          callback.onFailure(e.getCause());
          return;
        } catch (RuntimeException e) {
          callback.onFailure(e);
          return;
        } catch (Error e) {
          callback.onFailure(e);
          return;
        }
        callback.onSuccess(value);
      }
    };
    future.addListener(callbackListener, executor);
  }

 

  @Override
  public void addListener(Runnable listener, Executor exec) {
    executionList.add(listener, exec);
  }

3，promise

es6 和　netty都有promise机制。promise 机制提供在一个任务执行完毕后，自动执行另外一个任务的功能。ES6规定，Promise 对象是一个构造函数，用来生成Promise 实例。Promise构造函数接受一个函数作为参数，该函数有两个参数分别是resolve和reject，它们也是函数。resolve函数的作用是，将Promise 对象的状态从“未完成”（pending）==>“成功”（resolved），在异步操作成功时调用，并将异步操作结果，作为参数传递出去。reject函数的作用是，将Promise 对象的状态从“未完成”（pending）==>“失败”（rejected），再异步操作失败时调用，并将操作报错的错误，作为参数传递出去。Promise实例生成以后，可以用then方法分别指定resolved状态和rejected状态的回调函数，如下：

promise.then(function(value) {

// success

}, function(error) {

// failure

});

netty的promise, 除了增加异步任务执行结束，自动回调注册的函数外，还增加了可写 的api，用于主动设置异步任务的执行状态。具有设置成功结果，设置失败结果等功能，这样可以在成功或失败的时候回调注册到当前Promise实例的listeners了。在业务逻辑执行前添加监听器addListener(FutureListener<V> listener)，在执行完业务逻辑之后，执行setSuccess/trySuccess/setFailure/tryFailure等方法，此时会执行notifyAll()并回调添加进来的监听器。假设有线程阻塞在get()方法上时，在此时会做唤醒。

 

4.jdk8的CompletableFuture

Future和CompletableFuture一个是接口一个是其实现类。

CompletableFuture 也是提供异步任务执行完毕后，自动回调已注册的函数的功能，不用在主线程等待获取执行结果。CompletableFuture类，实现了Promise模式编程，除了回调功能外，也有主动完成任务的能力，即使异步任务会导致异步线程无限休眠，但是仍然可以通过主动设置值的方式完成该任务，是通过complete函数来完成的。下面是网上的一个例子：

CompletableFuture<String> promise = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
     // 无限休眠
     sleep(Long.MAX_VALUE);
     return null;
   });

   // 调用主动完成
   promise.complete("quding2");

   System.out.println(promise.get()); // 输出quding2

用以下函数来创建异步执行任务：

runAsync(Runnable runnable)    使用ForkJoinPool.commonPool()作为它的线程池执行异步代码。

runAsync(Runnable runnable, Executor executor)    使用指定的thread pool执行异步代码。

supplyAsync(Supplier<U> supplier)    使用ForkJoinPool.commonPool()作为它的线程池执行异步代码，异步操作有返回值

supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)   使用指定的thread pool执行异步代码，异步操作有返回值

 

CompletableFuture还提供了注册回调函数，异常处理，等待最快一个或者全部异步任务完成。

通过whenXXX来设置回调函数，在一个任务执行完成之后调用的方法。这个有三个名差不多的方法。whenComplete、whenCompleteAsync、还有一个是whenCompleteAsync用自定义Executor。

网上的一个例子，如何设置回调：

public static void asyncCallback() throws ExecutionException, InterruptedException {

        CompletableFuture<String> task=CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<String>() {
            @Override
            public String get() {
                System.out.println(getThreadName()+"supplyAsync");
                return "123";
            }
        });

        CompletableFuture<Integer> result1 = task.thenApply(number->{
            System.out.println(getThreadName()+"thenApply1");
            return Integer.parseInt(number);
        });

        CompletableFuture<Integer> result2 = result1.thenApply(number->{
            System.out.println(getThreadName()+"thenApply2");
            return number*2;
        });

        System.out.println(getThreadName()+" => "+result2.get());

    }

5.ForkJoinPool.commonPool()

runAsync和supplyAsync 在指定线程池时，用ForkJoinPool.commonPool()来作为执行任务的线程池。

ForkJoinPool是ExecutorSerice的一个补充，而不是替代品，从JDK1.7开始，Java提供ForkJoin框架用于并行执行任务，它的思想就是讲一个大任务分割成若干小任务，最终汇总每个小任务的结果得到这个大任务的结果。ForkJoinPool 主要用于实现“分而治之”的算法，特别是分治之后递归调用的函数，例如 quick sort 等。ForkJoinPool 最适合的是计算密集型的任务，如果存在 I/O，线程间同步，sleep() 等会造成线程长时间阻塞的情况时，最好配合使用 ManagedBlocker。

ForkJoinPool 是一个线程池，ForkJoinTask就是ForkJoinPool里面的每一个任务，主要有两个子类：RecursiveAction和RecursiveTask。然后通过fork()方法去分配任务执行任务，通过join()方法汇总任务结果，

 

ForkJoinPool.commonPool()是一个全局的线程池，和jvm的进程生命周期一样，如果显示创建线程池来执行任务，runAsync和supplyAsync会使用ForkJoinPool.commonPool()，引入commonPool，是为了避免任何并行操作都引入一个线程池，最坏情况会导致在单个JVM上创建了太多的池线程，降低效率。但是在 JVM 的后台，使用通用的 fork/join 池来完成一些功能时，该池是所有并行流共享的。默认情况，fork/join 池会为每个处理器分配一个线程。假设你有一台16核的机器，这样你就只能创建16个线程。对 CPU 密集型的任务来说，这样是有意义的，因为你的机器确实只能执行16个线程。但是真实情况下，不是所有的任务都是 CPU 密集型的。