Future接口定义

本文详细介绍了Java并发包中Future接口的功能及使用方式,包括如何检查计算任务的状态、获取计算结果、取消任务等。此外还提供了使用FutureTask和Executor的示例代码。
/*
* Written by Doug Lea with assistance from members of JCP JSR-166
* Expert Group and released to the public domain, as explained at
* http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
*/

package java.util.concurrent;

/**
* A <tt>Future</tt> represents the result of an asynchronous
* computation. Methods are provided to check if the computation is
* complete, to wait for its completion, and to retrieve the result of
* the computation. The result can only be retrieved using method
* <tt>get</tt> when the computation has completed, blocking if
* necessary until it is ready. Cancellation is performed by the
* <tt>cancel</tt> method. Additional methods are provided to
* determine if the task completed normally or was cancelled. Once a
* computation has completed, the computation cannot be cancelled.
* If you would like to use a <tt>Future</tt> for the sake
* of cancellability but not provide a usable result, you can
* declare types of the form {@code Future<?>} and
* return <tt>null</tt> as a result of the underlying task.
*
Future异步计算任务的结果。方法提供了检查计算任务是否完成,等待计算任务完成时,
获取计算任务结果。当计算任务完成时,调用get方法可以获取计算任务结果,如果需要
将阻塞至准备好。我们可以使用cancel取消线程的执行。另外提供了确定任务是否
正常结束或取消的方法。当任务已经完成时,任务不可被取消。
如果我们想取消任务,而不需要获取结果,则我们可以声明类型为Future<?>,
则任务完成返回为null。
* <p>
一些示例
* <b>Sample Usage</b> (Note that the following classes are all
* made-up.) <p>
* <pre> {@code
* interface ArchiveSearcher { String search(String target); }
* class App {
* ExecutorService executor = ...
* ArchiveSearcher searcher = ...
* void showSearch(final String target)
* throws InterruptedException {
* Future<String> future
* = executor.submit(new Callable<String>() {
* public String call() {
* return searcher.search(target);
* }});
* displayOtherThings(); // do other things while searching
* try {
* displayText(future.get()); // use future
* } catch (ExecutionException ex) { cleanup(); return; }
* }
* }}</pre>
*
* The {@link FutureTask} class is an implementation of <tt>Future</tt> that
* implements <tt>Runnable</tt>, and so may be executed by an <tt>Executor</tt>.
* For example, the above construction with <tt>submit</tt> could be replaced by:
FutureTask提供了Future和Runnable的实现,所以也可以用执行器去执行,比如上面submit方法的
Callable构造,我们可以用FutureTask来代理
* <pre> {@code
* FutureTask<String> future =
* new FutureTask<String>(new Callable<String>() {
* public String call() {
* return searcher.search(target);
* }});
* executor.execute(future);}</pre>
*
* <p>Memory consistency effects: Actions taken by the asynchronous computation
* [url=package-summary.html#MemoryVisibility] <i>happen-before</i>[/url]
* actions following the corresponding {@code Future.get()} in another thread.
*
内存一直性:任务的执行发生在获取任务执行的结果之前
* @see FutureTask
* @see Executor
* @since 1.5
* @author Doug Lea
* @param <V> The result type returned by this Future's <tt>get</tt> method
*/
public interface Future<V> {

/**
* Attempts to cancel execution of this task. This attempt will
* fail if the task has already completed, has already been cancelled,
* or could not be cancelled for some other reason. If successful,
* and this task has not started when <tt>cancel</tt> is called,
* this task should never run. If the task has already started,
* then the <tt>mayInterruptIfRunning</tt> parameter determines
* whether the thread executing this task should be interrupted in
* an attempt to stop the task.
*
尝试取消任务的执行。如果任务已经完成,或已经被取消,或者由于其他原因
不能被取消,则尝试失败。如果任务还没有开始,取消方法被调用,则尝试成功,
任务绝对不会执行。当任务已经被执行,mayInterruptIfRunning参数可以决定在尝试
停止任务时,执行中的任务是否可以被中断。
* <p>After this method returns, subsequent calls to {@link #isDone} will
* always return <tt>true</tt>. Subsequent calls to {@link #isCancelled}
* will always return <tt>true</tt> if this method returned <tt>true</tt>.
*
当方法返回时,isDone方法将返回true。如果cancel返回true,则#isCancelled方法返回true
* @param mayInterruptIfRunning <tt>true</tt> if the thread executing this
* task should be interrupted; otherwise, in-progress tasks are allowed
* to complete
* @return <tt>false</tt> if the task could not be cancelled,
* typically because it has already completed normally;
* <tt>true</tt> otherwise
*/
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

/**
* Returns <tt>true</tt> if this task was cancelled before it completed
* normally.
*
在任务正常完成前,如果任务被取消成功,则返回true
* @return <tt>true</tt> if this task was cancelled before it completed
*/
boolean isCancelled();

/**
* Returns <tt>true</tt> if this task completed.
*
如果任务执行完,则返回true
* Completion may be due to normal termination, an exception, or
* cancellation -- in all of these cases, this method will return
* <tt>true</tt>.
*
由于任务正常结束,异常发生或任务被取消,方法返回true
* @return <tt>true</tt> if this task completed
*/
boolean isDone();

/**
* Waits if necessary for the computation to complete, and then
* retrieves its result.
如果需要,等待计算任务完成,取回任务计算结果
* @return the computed result
* @throws CancellationException if the computation was cancelled
* @throws ExecutionException if the computation threw an
* exception
* @throws InterruptedException if the current thread was interrupted
* while waiting
*/
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

/**
* Waits if necessary for at most the given time for the computation
* to complete, and then retrieves its result, if available.
*
如果需要,超时等待计算任务完成,如果结果可用,取回任务计算结果
* @param timeout the maximum time to wait
* @param unit the time unit of the timeout argument
* @return the computed result
* @throws CancellationException if the computation was cancelled
* @throws ExecutionException if the computation threw an
* exception
* @throws InterruptedException if the current thread was interrupted
* while waiting
* @throws TimeoutException if the wait timed out
*/
V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
<think>我们被要求设计一个具备未来扩展性的缓存管理接口。缓存管理通常包括设置缓存、获取缓存、删除缓存、清空缓存等基本操作,同时为了扩展性,我们需要考虑支持不同的缓存实现(如内存、Redis、Memcached等),并允许未来添加新的缓存类型而不改变接口。 设计思路: 1. 定义一个接口(抽象基类),包含缓存管理的基本操作。 2. 使用策略模式,将具体的缓存实现作为可插拔的策略。 3. 考虑异步支持,因为缓存操作可能涉及IO(如远程缓存)。 4. 考虑泛型,以支持不同的缓存数据类型。 5. 考虑缓存过期策略等扩展点。 根据以上思路,我们设计一个`CacheManager`接口,并提供一个使用示例。 注意:为了扩展性,我们设计接口时尽量保持简单和通用,同时通过依赖注入来配置具体的缓存实现。 我们将设计如下: 1. `ICacheProvider`接口:定义缓存操作的基本方法,包括同步和异步方法(根据需求选择,这里我们同时提供,但实际中可能根据项目选择一种风格)。 2. `CacheManager`类:作为缓存管理的入口,它持有一个`ICacheProvider`实例,通过构造器注入。这样我们可以轻松更换缓存实现。 但是,为了更灵活地支持多种缓存策略(例如多级缓存),我们可能需要更复杂的设计。不过根据问题,我们先设计一个简单的可扩展接口。 另一种常见的做法是使用装饰器模式来组合多个缓存提供者(如先查内存缓存,再查分布式缓存),但这是实现层面的,接口可以保持不变。 我们先设计基础接口: 基本操作包括: - Get<T>(string key) - Set<T>(string key, T value, TimeSpan? expiry = null) - Remove(string key) - Clear() 同时,为了支持异步: - GetAsync<T>(string key, CancellationToken cancellationToken = default) - SetAsync<T>(string key, T value, TimeSpan? expiry = null, CancellationToken cancellationToken = default) - RemoveAsync(string key, CancellationToken cancellationToken = default) - ClearAsync(CancellationToken cancellationToken = default) 另外,我们还可以考虑添加一些高级功能,如按模式删除(通配符)等,但为了保持接口的简洁性,我们可以先不加入,而是通过扩展方法来提供。 由于不同的缓存后端(如Redis)可能支持不同的特性(如哈希、列表等),但我们的接口应该保持通用性,只包含最常用的操作。如果需要使用特定缓存的高级特性,可以通过具体实现类暴露,但这样会破坏替换实现的灵活性。因此,我们只提供最通用的操作。 设计接口: 我们定义两个接口:一个同步接口和一个异步接口,或者合并为一个接口同时提供同步和异步方法。这里我们合并为一个接口,要求实现类同时实现同步和异步方法(如果异步方法没有实现,可以抛出NotImplementedException,但最好都实现)。 但是,考虑到有些缓存可能只支持异步操作(如某些基于网络的缓存),而同步操作可能通过异步包装实现(反之则不行),所以我们可以只定义异步接口,然后通过扩展方法提供同步操作(这样同步操作就是调用异步方法的同步版本)。但这样可能会阻塞线程。另一种方式是同时提供同步和异步,让实现者去决定。 为了简单和通用,我们这里同时提供同步和异步方法,实现者可以根据需要实现。 另外,我们可能希望支持不同的缓存键类型(不仅仅是string),但通常使用string作为键是最常见的,所以这里我们固定为string。 值类型使用泛型T,这样我们可以存储不同的类型。 过期时间使用`TimeSpan?`,表示相对过期时间。也可以支持绝对过期时间,但我们可以通过将绝对时间转换为相对时间来实现,或者再添加一个参数。为了简单,这里只支持相对过期。 因此,我们设计如下: ```csharp public interface ICacheProvider { // 同步方法 T? Get<T>(string key); void Set<T>(string key, T value, TimeSpan? expiry = null); void Remove(string key); void Clear(); // 异步方法 Task<T?> GetAsync<T>(string key, CancellationToken cancellationToken = default); Task SetAsync<T>(string key, T value, TimeSpan? expiry = null, CancellationToken cancellationToken = default); Task RemoveAsync(string key, CancellationToken cancellationToken = default); Task ClearAsync(CancellationToken cancellationToken = default); } ``` 然后,我们提供一个`CacheManager`类,它封装了一个`ICacheProvider`实例,并对外提供缓存操作。这样我们可以通过更换`ICacheProvider`的实现来改变缓存策略。 ```csharp public class CacheManager { private readonly ICacheProvider _cacheProvider; public CacheManager(ICacheProvider cacheProvider) { _cacheProvider = cacheProvider; } // 同步方法 public T? Get<T>(string key) => _cacheProvider.Get<T>(key); public void Set<T>(string key, T value, TimeSpan? expiry = null) => _cacheProvider.Set(key, value, expiry); public void Remove(string key) => _cacheProvider.Remove(key); public void Clear() => _cacheProvider.Clear(); // 异步方法 public Task<T?> GetAsync<T>(string key, CancellationToken cancellationToken = default) => _cacheProvider.GetAsync<T>(key, cancellationToken); public Task SetAsync<T>(string key, T value, TimeSpan? expiry = null, CancellationToken cancellationToken = default) => _cacheProvider.SetAsync(key, value, expiry, cancellationToken); public Task RemoveAsync(string key, CancellationToken cancellationToken = default) => _cacheProvider.RemoveAsync(key, cancellationToken); public Task ClearAsync(CancellationToken cancellationToken = default) => _cacheProvider.ClearAsync(cancellationToken); } ``` 这样设计,`CacheManager`只是对`ICacheProvider`的一个简单代理。这样设计的好处是,我们可以在`CacheManager`中添加一些额外的逻辑(如日志、性能计数等)而不影响具体的缓存实现。 另外,我们还可以设计一个`CompositeCacheProvider`,它组合多个`ICacheProvider`(例如内存缓存和分布式缓存),实现多级缓存。这可以通过实现`ICacheProvider`接口,并在内部按顺序调用多个缓存提供者来实现。 示例:内存缓存实现 我们可以实现一个基于内存的缓存提供者,使用`MemoryCache`(.NET自带的)或者`ConcurrentDictionary`。 注意:这个示例只是演示,实际中需要处理过期和清理等。 由于时间关系,我们只展示一个简单的实现框架。 ```csharp public class MemoryCacheProvider : ICacheProvider { private readonly ConcurrentDictionary<string, (object value, DateTimeOffset? expiry)> _cache = new(); public T? Get<T>(string key) { if (_cache.TryGetValue(key, out var entry)) { if (entry.expiry == null || entry.expiry > DateTimeOffset.Now) { return (T)entry.value; } // 过期则移除 _cache.TryRemove(key, out _); } return default; } public void Set<T>(string key, T value, TimeSpan? expiry = null) { DateTimeOffset? expiryTime = expiry.HasValue ? DateTimeOffset.Now.Add(expiry.Value) : null; _cache[key] = (value, expiryTime); } // 其他方法省略,需要实现Remove和Clear以及异步方法(异步方法可以同步实现,返回已完成的任务) // 注意:异步方法在内存缓存中其实没有异步操作,但为了接口一致,我们返回已完成的任务。 public Task<T?> GetAsync<T>(string key, CancellationToken cancellationToken = default) { return Task.FromResult(Get<T>(key)); } // 其他异步方法类似... } ``` 这样,我们就可以通过依赖注入将`MemoryCacheProvider`注入到`CacheManager`中。 如果未来需要支持Redis,我们可以实现`RedisCacheProvider`,并替换注入即可。 此外,为了支持扩展性,我们还可以考虑: - 使用工厂模式创建不同的缓存提供者。 - 在接口中添加更多方法(如检查是否存在、自增等)时,需要考虑不要破坏现有实现。因此,一开始设计时应该尽量覆盖常用操作,但也要避免过度设计。 最后,我们还可以为`ICacheProvider`添加扩展方法,以提供更丰富的功能(如设置绝对过期时间)。 总结:我们设计了一个可扩展的缓存管理接口,通过策略模式支持多种缓存实现,并通过`CacheManager`类作为统一入口。 注意:在实际应用中,我们可能还需要考虑线程安全、缓存穿透、雪崩等问题,但这些可以在具体实现中处理。 以上设计满足基本的扩展性需求。</think>为了设计一个具备未来扩展性的缓存管理接口,我提出以下分层架构方案,重点解耦核心接口与具体实现,确保系统能灵活适应未来需求变化: ### 一、核心接口设计 ```csharp public interface ICacheManager { /// <summary> /// 设置缓存项(带过期时间) /// </summary> /// <param name="key">缓存键,需满足正则: ^[\w-]{1,64}$</param> /// <param name="value">支持任意可序列化对象</param> /// <param name="expiry">相对过期时间(TimeSpan)或绝对过期时间(DateTimeOffset)</param> void Set<T>(string key, T value, TimeSpan? expiry = null); /// <summary> /// 异步设置缓存项 /// </summary> Task SetAsync<T>(string key, T value, TimeSpan? expiry = null); /// <summary> /// 获取缓存项(支持泛型反序列化) /// </summary> Optional<T> Get<T>(string key); /// <summary> /// 异步获取缓存项 /// </summary> Task<Optional<T>> GetAsync<T>(string key); /// <summary> /// 移除缓存项 /// </summary> bool Remove(string key); /// <summary> /// 带过期时间的缓存计算 /// </summary> T ComputeIfAbsent<T>(string key, Func<T> loader, TimeSpan expiry); } ``` ### 二、扩展性设计要点 1. **策略模式解耦** ```csharp // 缓存策略接口 public interface ICacheStrategy { void Store(string key, byte[] data, CachePolicy policy); byte[]? Retrieve(string key); } // 策略实现示例(Redis) public class RedisStrategy : ICacheStrategy { public void Store(string key, byte[] data, CachePolicy policy) { // 使用Redis的EXPIREAT命令 _redis.StringSet(key, data, policy.AbsoluteExpiry); } } ``` 2. **策略组合支持** ```csharp // 多级缓存策略 public class LayeredCacheStrategy : ICacheStrategy { private readonly ICacheStrategy[] _layers; public byte[]? Retrieve(string key) { foreach (var layer in _layers) { var data = layer.Retrieve(key); if (data != null) return data; } return null; } } ``` 3. **策略动态配置** ```json { "CacheStrategies": [ { "Type": "MemoryStrategy", "Priority": 1, "MaxItems": 1000 }, { "Type": "RedisStrategy", "Priority": 2, "ConnectionString": "redis://cluster" } ] } ``` ### 三、扩展点设计 1. **缓存策略扩展** ```csharp // 新增缓存策略(如Aerospike) public class AerospikeStrategy : ICacheStrategy { // 实现具体存储逻辑 } ``` 2. **序列化扩展** ```csharp public interface ISerializer { byte[] Serialize<T>(T value); T Deserialize<T>(byte[] bytes); } // 支持MessagePack序列化 public class MessagePackSerializer : ISerializer {...} ``` 3. **缓存策略注入点 ```csharp // 通过DI容器配置 services.AddSingleton<ICacheStrategy, LayeredCacheStrategy>(); services.AddSingleton<ISerializer, MessagePackSerializer>(); ``` ### 四、策略执行流程 ```mermaid graph TD A[Set调用] --> B[序列化模块] B --> C[策略选择器] C --> D[内存策略] C --> E[分布式策略] D --> F[写入内存缓存] E --> G[写入Redis集群] ``` ### 五、未来扩展方向 1. **缓存策略扩展** - 添加`ICacheStrategy`实现支持新型数据库 - 实现`WriteBehind`异步持久化策略 2. **智能淘汰算法** ```csharp public interface IEvictionPolicy { void TrackAccess(string key); IEnumerable<string> GetEvictionCandidates(); } // LFU策略实现 public class LfuPolicy : IEvictionPolicy {...} ``` 3. **跨平台支持** - 通过`ICacheStrategy`适配WebAssembly环境 - 实现浏览器IndexedDB策略 4. **监控扩展点** ```csharp public interface ICacheMonitor { void TrackHit(string key); void TrackMiss(string key); } ``` 该设计通过策略模式实现核心逻辑与实现的分离,支持运行时策略切换。序列化模块的抽象使系统能适应不同序列化协议,配置驱动的策略组合为未来扩展提供灵活性[^1]。通过定义清晰的扩展接口,新缓存引擎的接入成本显著降低,满足长期演进需求[^2]。 ---
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