一文帶你掌握J(rèn)ava?Future模式的靈活應(yīng)用

更新時(shí)間：2024年01月11日 08:32:06 作者：宋小黑

Future模式,簡單來說,就是一種能夠管理異步操作的方式,它可以讓咱們的程序在執(zhí)行一個(gè)耗時(shí)任務(wù)的同時(shí),還能繼續(xù)做其他事情,下面我們就來看看Future模式的具體應(yīng)用吧

第1章：引言

咱們程序員在日常工作中，肯定都遇到過需要處理耗時(shí)任務(wù)的情況，特別是在Java領(lǐng)域。比如說，小黑要從網(wǎng)絡(luò)上下載數(shù)據(jù)，或者要執(zhí)行一個(gè)計(jì)算密集型任務(wù)，這些操作都可能需要花費(fèi)一些時(shí)間。在這種場景下，如果小黑還要保持程序的響應(yīng)性，就得用到異步編程。Java中的Future模式，就是處理這類問題的一個(gè)非常棒的工具。

Future模式，簡單來說，就是一種能夠管理異步操作的方式。它可以讓咱們的程序在執(zhí)行一個(gè)耗時(shí)任務(wù)的同時(shí)，還能繼續(xù)做其他事情。這不僅能提高應(yīng)用程序的性能，還能改善用戶體驗(yàn)。

第2章：Future模式的基本概念

Future模式究竟是什么呢？在Java中，F(xiàn)uture是一個(gè)接口，它代表了一個(gè)可能還沒有完成的異步計(jì)算的結(jié)果。通過這個(gè)接口，小黑可以在計(jì)算完成之前繼續(xù)做其他事情，然后在需要的時(shí)候獲取計(jì)算結(jié)果。

來看個(gè)簡單的例子吧。假設(shè)小黑需要從網(wǎng)絡(luò)上下載一些數(shù)據(jù)，這可能需要一些時(shí)間。使用Future，小黑可以這樣做：

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
Future<String> futureData = executor.submit(() -> {
    // 這里是模擬下載數(shù)據(jù)的操作，假設(shè)需要耗時(shí)操作
    Thread.sleep(2000); // 模擬耗時(shí)
    return "下載的數(shù)據(jù)"; // 返回下載的數(shù)據(jù)
});

// 這里可以繼續(xù)做其他事情，不必等待數(shù)據(jù)下載完成
// ...

// 當(dāng)需要使用數(shù)據(jù)時(shí)，可以從Future中獲取
try {
    String data = futureData.get(); // 這會阻塞直到數(shù)據(jù)下載完成
    System.out.println("獲取到的數(shù)據(jù): " + data);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

executor.shutdown();

在這個(gè)例子中，submit方法將下載數(shù)據(jù)的任務(wù)提交給了一個(gè)線程池，這個(gè)任務(wù)就是一個(gè)異步操作。然后，小黑可以繼續(xù)執(zhí)行其他代碼，而不用等待數(shù)據(jù)下載完成。當(dāng)小黑需要使用下載的數(shù)據(jù)時(shí)，可以調(diào)用futureData.get()來獲取。如果數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好，這個(gè)調(diào)用會等待，直到數(shù)據(jù)下載完成。

通過這個(gè)例子，咱們可以看到，F(xiàn)uture模式可以讓小黑的程序更加靈活和高效。咱們不僅可以優(yōu)化程序的性能，還能提高用戶體驗(yàn)，因?yàn)橛脩舨恍枰却粋€(gè)操作完成才能進(jìn)行下一個(gè)操作。

第3章：Java中的Future接口

Future接口主要用于表示異步計(jì)算的結(jié)果。它提供了幾個(gè)關(guān)鍵的方法來管理這些計(jì)算，最常用的包括get()和isDone()。這些方法讓小黑能夠在計(jì)算完成之前或之后進(jìn)行操作。

咱們先看看Future的一些基本用法。想象一下，小黑現(xiàn)在有個(gè)任務(wù)是計(jì)算一系列數(shù)字的總和，這個(gè)計(jì)算可能會花費(fèi)一些時(shí)間。小黑可以使用Future來異步地執(zhí)行這個(gè)任務(wù)：

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
Future<Integer> futureSum = executor.submit(() -> {
    int sum = 0;
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        sum += i;
        Thread.sleep(100); // 模擬耗時(shí)的計(jì)算過程
    }
    return sum; // 返回計(jì)算結(jié)果
});

// 這里可以執(zhí)行其他任務(wù)...
// ...

// 檢查任務(wù)是否完成
if (futureSum.isDone()) {
    try {
        System.out.println("計(jì)算結(jié)果: " + futureSum.get());
    } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
    }
} else {
    System.out.println("計(jì)算還在進(jìn)行中...");
}

executor.shutdown();

在這個(gè)例子中，submit方法將計(jì)算任務(wù)提交給了一個(gè)線程池。這個(gè)任務(wù)會異步執(zhí)行，小黑可以在等待結(jié)果的同時(shí)做其他事情。使用isDone()方法可以檢查計(jì)算是否已完成。如果完成了，就可以使用get()方法獲取結(jié)果。

但注意，get()方法是阻塞的，也就是說，如果計(jì)算還沒完成，它會讓當(dāng)前線程等待。這可能不是小黑想要的，特別是在圖形用戶界面（GUI）編程中，這樣可能會導(dǎo)致界面凍結(jié)。所以，小黑在使用get()方法時(shí)，需要小心考慮。

還有一個(gè)點(diǎn)，就是異常處理。如果異步任務(wù)中發(fā)生了異常，它會被封裝在一個(gè)ExecutionException中。當(dāng)小黑調(diào)用get()方法時(shí)，這個(gè)異常會被拋出。所以，小黑在處理結(jié)果時(shí)，也要做好異常處理。

咱們可以看出，F(xiàn)uture接口提供了一種非常靈活的方式來處理異步任務(wù)。小黑可以利用這些方法，優(yōu)化程序的性能，同時(shí)提高代碼的可讀性和可維護(hù)性。

第4章：Future的高級應(yīng)用

組合異步任務(wù)

在實(shí)際開發(fā)中，經(jīng)常會遇到需要順序執(zhí)行多個(gè)異步任務(wù)的情況。比如，小黑先下載數(shù)據(jù)，然后處理這些數(shù)據(jù)。這時(shí)，咱們可以通過Future將這些任務(wù)串聯(lián)起來。來看一個(gè)例子：

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

// 第一個(gè)異步任務(wù)：下載數(shù)據(jù)
Future<String> futureData = executor.submit(() -> {
    // 模擬下載數(shù)據(jù)的操作
    Thread.sleep(2000);
    return "下載的數(shù)據(jù)";
});

// 第二個(gè)異步任務(wù)：處理數(shù)據(jù)
Future<String> futureProcessed = executor.submit(() -> {
    try {
        // 等待并獲取第一個(gè)任務(wù)的結(jié)果
        String data = futureData.get();
        // 模擬數(shù)據(jù)處理過程
        return "處理后的" + data;
    } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
        return "處理過程中出錯(cuò)";
    }
});

try {
    // 獲取最終處理后的數(shù)據(jù)
    System.out.println("最終結(jié)果: " + futureProcessed.get());
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

executor.shutdown();

在這個(gè)例子中，小黑首先提交了一個(gè)下載數(shù)據(jù)的異步任務(wù)，然后提交了一個(gè)處理數(shù)據(jù)的異步任務(wù)。第二個(gè)任務(wù)中，通過futureData.get()等待并獲取第一個(gè)任務(wù)的結(jié)果。這樣，這兩個(gè)任務(wù)就被順利串聯(lián)起來了。

處理異常

處理異步任務(wù)時(shí)，異常管理也非常重要。如果任務(wù)執(zhí)行過程中出現(xiàn)異常，F(xiàn)uture會把這個(gè)異常包裝成ExecutionException。咱們需要妥善處理這些異常，以避免程序崩潰。例如：

Future<Integer> futureTask = executor.submit(() -> {
    if (new Random().nextBoolean()) {
        throw new RuntimeException("出錯(cuò)啦!");
    }
    return 42;
});

try {
    Integer result = futureTask.get();
    System.out.println("任務(wù)結(jié)果: " + result);
} catch (ExecutionException e) {
    System.out.println("任務(wù)執(zhí)行過程中出現(xiàn)異常: " + e.getCause().getMessage());
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

executor.shutdown();

這里，小黑提交了一個(gè)可能會拋出異常的任務(wù)。通過捕獲ExecutionException，咱們可以得知任務(wù)執(zhí)行過程中是否出現(xiàn)了異常，并相應(yīng)地處理。

第5章：與Future相關(guān)的工具類

ExecutorService：管理線程池

ExecutorService是一個(gè)管理線程池的工具類。它可以讓小黑更方便地執(zhí)行異步任務(wù)，而不需要手動創(chuàng)建和管理線程。比如，小黑可以使用ExecutorService來提交Callable任務(wù)：

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10); // 創(chuàng)建一個(gè)固定大小的線程池

Future<String> future = executorService.submit(new Callable<String>() {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        // 模擬耗時(shí)操作
        Thread.sleep(2000);
        return "任務(wù)結(jié)果";
    }
});

try {
    // 獲取異步任務(wù)的結(jié)果
    String result = future.get();
    System.out.println("異步任務(wù)的結(jié)果是：" + result);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

executorService.shutdown(); // 關(guān)閉線程池

在這個(gè)例子中，小黑創(chuàng)建了一個(gè)固定大小的線程池，然后提交了一個(gè)Callable任務(wù)。Callable是一個(gè)返回結(jié)果的任務(wù)，和Runnable稍有不同。使用ExecutorService可以讓小黑更加專注于任務(wù)的邏輯，而不是線程的管理。

使用ScheduledExecutorService進(jìn)行定時(shí)任務(wù)

如果小黑想要執(zhí)行一些定時(shí)或周期性的任務(wù)，那么ScheduledExecutorService是一個(gè)非常好的選擇。它可以讓小黑安排在未來某個(gè)時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)，或者周期性地執(zhí)行任務(wù)。

ScheduledExecutorService scheduledExecutor = Executors.newScheduledThreadPool(5);

// 延遲3秒執(zhí)行任務(wù)
ScheduledFuture<?> scheduledFuture = scheduledExecutor.schedule(new Callable<Object>() {
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        System.out.println("延遲執(zhí)行的任務(wù)");
        return null;
    }
}, 3, TimeUnit.SECONDS);

// 定期執(zhí)行任務(wù)，每2秒執(zhí)行一次
scheduledExecutor.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("定期執(zhí)行的任務(wù)");
    }
}, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);

// 記得關(guān)閉scheduledExecutor

在這個(gè)例子中，小黑使用ScheduledExecutorService安排了兩個(gè)任務(wù)：一個(gè)是延遲3秒執(zhí)行的任務(wù)，另一個(gè)是每2秒執(zhí)行一次的任務(wù)。這對于需要定時(shí)執(zhí)行任務(wù)的場景非常有用。

第6章：Java中的其他異步模式

CompletableFuture：更強(qiáng)大的異步編程工具

Java 8引入了CompletableFuture，它是Future的增強(qiáng)版，提供了更豐富的API，使得異步編程更加靈活。CompletableFuture支持函數(shù)式編程風(fēng)格，可以輕松地組合和鏈?zhǔn)秸{(diào)用異步操作。

CompletableFuture<String> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 異步執(zhí)行任務(wù)
    try {
        Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new IllegalStateException(e);
    }
    return "異步計(jì)算的結(jié)果";
});

// 組合操作，對結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換
CompletableFuture<String> future = completableFuture.thenApply(result -> "處理過的" + result);

// 獲取最終結(jié)果
try {
    System.out.println(future.get()); // 輸出：處理過的異步計(jì)算的結(jié)果
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

在這個(gè)例子中，supplyAsync方法用來異步執(zhí)行任務(wù)，thenApply方法則用來處理這個(gè)任務(wù)的結(jié)果。這種鏈?zhǔn)秸{(diào)用的方式，使得異步編程變得非常簡潔和直觀。

RxJava：響應(yīng)式編程

RxJava是另一種流行的異步編程框架。它基于觀察者模式，提供了豐富的操作符來處理異步數(shù)據(jù)流。RxJava特別適合處理復(fù)雜的事件驅(qū)動程序，比如GUI應(yīng)用或者網(wǎng)絡(luò)編程。

Observable<String> observable = Observable.create(emitter -> {
    new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(2000);
            emitter.onNext("RxJava的異步數(shù)據(jù)");
            emitter.onComplete();
        } catch (InterruptedException e) {
            emitter.onError(e);
        }
    }).start();
});

observable.subscribe(
    item -> System.out.println(item), // 處理數(shù)據(jù)
    error -> error.printStackTrace(),  // 處理錯(cuò)誤
    () -> System.out.println("完成")   // 處理完成
);

在這個(gè)例子中，小黑使用Observable創(chuàng)建了一個(gè)異步數(shù)據(jù)流，然后通過subscribe方法來處理這個(gè)數(shù)據(jù)流。RxJava的強(qiáng)大之處在于它提供了大量的操作符，可以輕松地對數(shù)據(jù)流進(jìn)行過濾、轉(zhuǎn)換、組合等操作。

選擇合適的異步模式

Future、CompletableFuture和RxJava都是Java中處理異步編程的有效工具。選擇哪一個(gè)主要取決于具體的應(yīng)用場景和個(gè)人的編程風(fēng)格。如果小黑需要簡單的異步任務(wù)管理，F(xiàn)uture就足夠了；如果需要更靈活的鏈?zhǔn)秸{(diào)用和函數(shù)式編程特性，CompletableFuture是一個(gè)好選擇；如果要處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)流和事件驅(qū)動編程，RxJava可能更合適。