Java多线程编程（三）-Future、FutureTask、CompletableFuture

一、Future模式

1.Future简介

    Future本身是一种被广泛运用的开发设计模式，在很大程度上简化需要数据流同步的并发应用开发。Future对象本身可以看做是一个显示的引用，他的核心思想是异步调用，类似于ajax的异步请求，无需等待请求的结果，可以继续去处理其他的业务。

    例如就像现在在网上买东西，选中东西付款之后，不会立即拿到东西，而是拿到一个买东西的订单号，然后过一段时间之后根据订单号去拿真正的货物，而在等待货物的期间我们是可以去干别的任何事情。其中Future接口就是订货单，真正处理订单的是Executor类，他根据Future接口的要求来生产产品。

2.Future接口

    下面是Future接口中的定义的方法，包括5个接口方法，这5个接口方法实际上提供了Future的3个功能:判断任务是否完成，中断任务，获取任务的执行结果。

public interface Future<V> {

	/**
	 * 取消任务的执行
	 * 如果任务已经完成，或者已经被取消，或者因为其他原因不能被取消，则返回失败
	 * 如果任务在调用时还未启动，那么返回成功
	 * 如果任务已经在执行过程中，则根据参数确定此执行任务的线程能否被中断，来试图停止任务的执行
	 * @param mayInterruptIfRunning
	 * @return
	 */
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    /**
     * 判断任务是否已经取消，任务正常完成前将其取消，则返回true
     * @return
     */
    boolean isCancelled();

    /**
     * 判断任务是否已经完成，需要注意的是如果任务正常、异常或取消，都返回true
     * @return
     */
    boolean isDone();

    /**
     * 等待任务执行结束，并返回结果
     * @return
     * @throws InterruptedException  线程被中断异常
     * @throws ExecutionException 任务执行异常
     */
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    /**
     * 等待任务执行结束，并返回结果，同上面get方法的区别是设置了超时时间，
     * @param timeout
     * @param unit
     * @return
     * @throws InterruptedException
     * @throws ExecutionException
     * @throws TimeoutException
     */
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

3.Future模式执行的原理

角色	作用
main	启动系统的主程序，调用client发送请求
client	返回Data对象，并且立即返回FutureData结果 ，同时开启ClientThread线程来装配RealData
Data	返回数据的接口
FutureData	client请求之后立即返回的一个“虚假”的结果
RealData	真实的结果数据

二、FutureTask实现

1.FutureTask介绍

    Future只是一个接口，无法直接创建对象，因此有了FutureTask。RunnableFuture继承了Runnable和Future接口，而FutureTask实现了RunnableFuture接口。

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

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run();
}

2.FutureTask中的变量

/**
     * state状态变化的方式
     * 1.正常完成的流程：NEW -> COMPLETING -> NORMAL
     * 2.出现异常的流程：NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
     * 3.被取消：NEW -> CANCELLED
     * 4.被中断：NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
     */
	//记录task的状态
    private volatile int state;
    //新建，也表示内部成员callable已成功赋值，一直到工作线程完成FutureTask中的run()
    private static final int NEW          = 0;
    //执行中，工作线程在处理task时的中间状态，处于该状态是，说明工作线程正准备设置result
    private static final int COMPLETING   = 1;
    //正常，设置result结果完成，FutureTask处于该状态，代表过程结果，该状态为正确完成的最终状态
    private static final int NORMAL       = 2;
    //异常：task在指向过程中出现异常，也是最终态
    private static final int EXCEPTIONAL  = 3;
    //取消：task被取消，最终态
    private static final int CANCELLED    = 4;
    //中断中：task运行过程中被中断时，设置的中间状态
    private static final int INTERRUPTING = 5;
    //被中断：中断完成的最终状态
    private static final int INTERRUPTED  = 6;

    //具体run()运行时会调用其方法call()，并获取结果，结束执行置为null
    private Callable<V> callable;
    //伴随state进行读写
    private Object outcome;
    //具体的工作线程
    private volatile Thread runner;
    //并发stack数据结构，用于存放阻塞在该FutureTask.get方法的线程  Treiber算法参考Lock-Free算法
    private volatile WaitNode waiters;

2.FutureTask的run()方法

    下面是FutureTask的run()方法的执行过程，主要分为几个步骤：

    （1）判断当前任务的状态，如果任务的状态不是new，说明状态已经发生了变化，执行的路径是上面4种中的一种，直接返回。

    （2）如果工作线程是null，则把当前执行任务的线程赋值给runner，如果runner不为null，说明已经有线程在执行，直接返回。此处使用compareAndSwapObject来对工作线程进行赋值，是因为该方法能够保证原子性，保证多个线程同时提交一个FutureTask时，确保该FutureTask的run只被调用一次，如果想运行多次，使用runAndReset()方法。

    （3）开始执行任务，如果执行的任务不为空，并且任务的状态是new，调用Callable的call方法。

    （4）如果任务执行成功则set结果，如果出现异常则setException

    （5）把runner设置为null

public void run() {
    	//首先判断任务的状态，如果任务不是new状态，说明任务的状态已经开始改变，4中可能中的一种
        if (state != NEW ||!UNSAFE.co