23 Future：如何用多线程实现最优的“烧水泡茶”程序？

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。

1. 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()。
2. 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。
3. 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。

精选留言（15）

• aroll 👍（107） 💬（14）

  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

  2019-04-20


• Joker 👍（19） 💬（5）

  ``` 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

  2019-11-06


• 张天屹 👍（10） 💬（4）

  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

  2019-04-20


• 魏斌斌 👍（9） 💬（3）

  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。

  2019-06-17


• Sunqc 👍（6） 💬（1）

  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

  2019-04-30


• the only Mia’s 👍（3） 💬（1）

  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

  2020-07-25


• linqw 👍（3） 💬（2）

  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);}}

  2019-04-22


• henry 👍（3） 💬（1）

  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

  2019-04-20


• 张德 👍（2） 💬（1）

  我也同意张天屹同学的观点 这个询价操作如果之间没有联系的话 直接起三个线程就可以了 老师能不能讲一下 用线程池怎么就有关联了？

  2019-04-21


• near 👍（1） 💬（1）

  老师，有问题问一下：1.在泡茶的例子中，如果使用线程池创建线程，假设有很多个泡茶任务都要反复调用线程池中的线程，那么在T2提前完成任务，T1获取T2的结果前，T2这个线程会不会被线程池回收？2.假设T1在T2前完成，当T1要获取T2结果时，T1中的代码是阻塞的状态吗？

  2020-10-13


• QQ怪 👍（1） 💬（1）

  老师，在提交 Runnable 任务及结果引用的例子里面的x变量是什么?

  2019-04-20


• Geek_31594d 👍（0） 💬（1）

  老师，有个一直比较疑虑的地方，future.get获取返回值是去阻塞，如果get使用太多，那么阻塞的地方就会感觉有问题

  2021-09-08


• 盛权_vinc 👍（0） 💬（1）

  老师，你这个泡茶例子，看你最终的执行结果，洗水壶和洗茶壶并行了，然后才开始烧水洗茶杯，这好像有点违背了最优分工方案的图和现实？

  2020-10-20


• 是我！ 👍（0） 💬（1）

  老师您好：请问这样是否有问题？ public static void main(String[] args) throws Exception { FutureTask t1 = new FutureTask(new Callable() { @Override public String call() { return "getPriceByS1()"; } }); FutureTask t2 = new FutureTask(() -> "getPriceByS2()"); FutureTask t3 = new FutureTask(() -> "getPriceByS3()"); BlockingQueue<Runnable> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3); ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 10, TimeUnit.SECONDS, blockingQueue); poolExecutor.submit(t1); save(t1.get().toString()); poolExecutor.submit(t2); save(t2.get().toString()); poolExecutor.submit(t3); save(t3.get().toString()); } private static void save(String ss) { System.out.println("保存" + ss); }

  2019-11-30


• 爱上丘比特 👍（0） 💬（1）

  老师，既然get是阻塞方法，那应该何时调用呢？或者说在哪种场景调用避免阻塞主线程？

  2019-06-26