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前言
在高性能編程中，并發編程已經成為了極為重要的一部分，在單核CPU性能已經趨于極限時，我們只能通過多核來進一步提升系統的性能，因此就催生了并發編程，
由于并發編程比串行編程更困難，也更容易出錯，因此，我們就更需要借鑒一些前人優秀的，成熟的設計模式，使得我們的設計更加健壯，更加完美，
而Future模式，正是其中使用最為廣泛，也是極為重要的一種設計模式，今天就跟阿丙了解一手Future模式！
生活中的Future模式
為了更快的了解Future模式，我們先來看一個生活中的例子，
場景1：
午飯時間到了，同學們要去吃飯了，小王下樓，走了20分鐘，來到了肯德基，點餐，排隊，吃飯一共花了20分鐘，又花了20分鐘走回公司繼續作業，合計1小時，
場景2
午飯時間到了，同學們要去吃飯了，小王點了個肯德基外賣，很快，它就拿到了一個訂單（雖然訂單不能當飯吃，但是有了訂單，還怕吃不上飯嘛），接著小王可以繼續干活，30分鐘后，外賣到了，接著小投訓了10分鐘吃飯，接著又可以繼續作業了，成功的卷到了隔壁的小汪，
很明顯，在這2個場景中，小王的作業時間更加緊湊，特別是那些排隊的時間都可以讓外賣員去干，因此可以更加專注于自己的本職作業，聰明的你應該也已經體會到了，場景1就是典型的函式同步呼叫，而場景2是典型的異步呼叫，
而場景2的異步呼叫，還有一個特點，就是它擁有一個回傳值，這個回傳值就是我們的訂單，這個訂單很重要，憑借著這個訂單，我們才能夠取得當前這個呼叫所對應的結果，
這里的訂單就如同Future模式中的Future，這是一個合約，一份承諾，雖然訂單不能吃，但是手握訂單，不怕沒吃的，雖然Future不是我們想要的結果，但是拿著Future就能在將來得到我們想要的結果，
因此，Future模式很好的解決了那些需要回傳值的異步呼叫，
Future模式中的主要角色
一個典型的Future模式由以下幾個部分組成：
- Main：系統啟動，呼叫Client發出請求
- Client：回傳Data物件，立即回傳FutureData，并開啟ClientThread執行緒裝配RealData
- Data：回傳資料的介面
- FutureData：Future資料，構造很快，但是是一個虛擬的資料，需要裝配RealData，好比一個訂單
- RealData：真實資料，其構造是比較慢的，好比上面例子中的肯德基午餐，
它們之間的相互關系如下圖：
其中，值得注意是Data，RealData和FutureData，這是一組典型的代理模式，Data介面表示對外資料，RealData表示真實的資料，就好比午餐，獲得它的成本比較高，需要很多時間；相對的FutureData作為RealData的代理，類似于一個訂單/契約，通過FutureData，可以在將來獲得RealData，
因此，Future模式本質上是代理模式的一種實際應用，
實作一個簡單的Future模式
根據上面的設計，讓我們來實作一個簡單的代理模式吧！
首先是Data介面，代表資料：
public interface Data {
public String getResult ();
}
接著是FutureData，也是整個Future模式的核心：
public class FutureData implements Data {
// 內部需要維護RealData
protected RealData realdata = null;
protected boolean isReady = false;
public synchronized void setRealData(RealData realdata) {
if (isReady) {
return;
}
this.realdata = realdata;
isReady = true;
//RealData已經被注入，通知getResult()
notifyAll();
}
//會等待RealData構造完成
public synchronized String getResult() {
while (!isReady) {
try {
//一直等待，直到RealData被注入
wait();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
//真正需要的資料從RealData獲取
return realdata.result;
}
}
下面是RealData：
public class RealData implements Data {
protected final String result;
public RealData(String para) {
StringBuffer sb=new StringBuffer();
//假設這里很慢很慢，構造RealData不是一個容易的事
result =sb.toString();
}
public String getResult() {
return result;
}
}
然后從Client得到Data：
public class Client {
//這是一個異步方法，回傳的Data介面是一個Future
public Data request(final String queryStr) {
final FutureData future = new FutureData();
new Thread() {
public void run() {
// RealData的構建很慢，所以在單獨的執行緒中進行
RealData realdata = new RealData(queryStr);
//setRealData()的時候會notify()等待在這個future上的物件
future.setRealData(realdata);
}
}.start();
// FutureData會被立即回傳，不會等待RealData被構造完
return future;
}
}
最后一個Main函式，把所有一切都串起來：
public static void main(String[] args) {
Client client = new Client();
//這里會立即回傳，因為得到的是FutureData而不是RealData
Data data = client.request("name");
System.out.println("請求完畢");
try {
//這里可以用一個sleep代替了對其他業務邏輯的處理
//在處理這些業務邏輯的程序中，RealData被創建，從而充分利用了等待時間
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
}
//使用真實的資料，如果到這里資料還沒有準備好，getResult()會等待資料準備完，再回傳
System.out.println("資料 = " + data.getResult());
}
這是一個最簡單的Future模式的實作，雖然簡單，但是已經包含了Future模式中最精髓的部分，對大家理解JDK內部的Future物件，有著非常重要的作用，
Java中的Future模式
Future模式是如此常用，在JDK內部已經有了比較全面的實作和支持，下面，讓我們一起看看JDK內部的Future實作：
首先，JDK內部有一個Future介面，這就是類似前面提到的訂單，當然了，作為一個完整的商業化產品，這里的Future的功能更加豐富了，除了get()方法來獲得真實資料以外，還提供一組輔助方法，比如：
- cancel()：如果等太久，你可以直接取消這個任務
- isCancelled()：任務是不是已經取消了
- isDone()：任務是不是已經完成了
- get()：有2個get()方法，不帶引數的表示無窮等待，或者你可以只等待給定時間
下面代碼演示了這個Future的使用方法：
//異步操作 可以用一個執行緒池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
//執行FutureTask，相當于上例中的 client.request("name") 發送請求
//在這里開啟執行緒進行RealData的call()執行
Future<String> future = executor.submit(new RealData("name"));
System.out.println("請求完畢，資料準備中");
try {
//這里依然可以欄位外的資料操作，這里使用sleep代替其他業務邏輯的處理
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
}
//如果此時call()方法沒有執行完成，則依然會等待
System.out.println("資料 = " + future.get());
整個使用程序非常簡單，下面我們來分析一下executor.submit()里面究竟發生了什么：
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
// 根據Callable物件，創建一個RunnableFuture，這里其實就是FutureTask
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
//將ftask推送到執行緒池
//在新執行緒中執行的，就是run()方法，在下面的代碼中有給出
execute(ftask);
//回傳這個Future，將來通過這個Future就可以得到執行的結果
return ftask;
}
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
return new FutureTask<T>(callable);
}
最關鍵的部分在下面，FutureTask作為一個執行緒單獨執行時，會將結果保存到outcome中，并設定任務的狀態,下面是FutureTask的run()方法：
從FutureTask中獲得結果的實作如下：
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
//如果沒有完成，就等待，回到用park()方法阻塞執行緒
//同時，所有等待執行緒會在FutureTask的waiters欄位中排隊等待
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}
private V report(int s) throws ExecutionException {
//outcome里保存的就是最終的計算結果
Object x = outcome;
if (s == NORMAL)
//正常完成，就回傳outcome
return (V)x;
//如果沒有正常完成， 比如被用戶取消了，或者有例外了，就拋出例外
if (s >= CANCELLED)
throw new CancellationException();
throw new ExecutionException((Throwable)x);
}
Future模式的高階版本—— CompletableFuture
Future模式雖然好用，但也有一個問題，那就是將任務提交給執行緒后，呼叫執行緒并不知道這個任務什么時候執行完，如果執行呼叫get()方法或者isDone()方法判斷，可能會進行不必要的等待，那么系統的吞吐量很難提高，
為了解決這個問題，JDK對Future模式又進行了加強，創建了一個CompletableFuture，它可以理解為Future模式的升級版本，它最大的作用是提供了一個回呼機制，可以在任務完成后，自動回呼一些后續的處理，這樣，整個程式可以把“結果等待”完全給移除了，
下面來看一個簡單的例子：
在這個例子中，首先以getPrice()為基礎創建一個異步呼叫，接著，使用thenAccept()方法，設定了一個后續的操作，也就是當getPrice()執行完成后的后續處理，
不難看到，CompletableFuture比一般的Future更具有實用性，因為它可以在Future執行成功后，自動回呼進行下一步的操作，因此整個程式不會有任何阻塞的地方（也就是說你不用去到處等待Future的執行，而是讓Future執行成功后，自動來告訴你），
以上面的代碼為例，CompletableFuture之所有會有那么神奇的功能，完全得益于AsyncSupply類（由上述代碼中的supplyAsync()方法創建），
AsyncSupply在執行時，如下所示：
public void run() {
CompletableFuture<T> d; Supplier<T> f;
if ((d = dep) != null && (f = fn) != null) {
dep = null; fn = null;
if (d.result == null) {
try {
//這里就是你要執行的異步方法
//結果會被保存下來，放到d.result欄位中
d.completeValue(f.get());
} catch (Throwable ex) {
d.completeThrowable(ex);
}
}
//執行成功了，進行后續處理，在這個后續處理中，就會呼叫thenAccept()中的消費者
//這里就相當于Future完成后的通知
d.postComplete();
}
}
繼續看d.postComplete()，這里會呼叫后續一系列操作
final void postComplete() {
//省略部分代碼，重點在tryFire()里
//在tryFire()里，真正觸發了后續的呼叫，也就是thenAccept()中的部分
f = (d = h.tryFire(NESTED)) == null ? this : d;
}
}
}
絮叨
今天，我們主要介紹Future模式，我們從一個最簡單的Future模式開始，逐步深入，先后介紹了JDK內部的Future模式實作，以及對Future模式的進化版本CompletableFuture做了簡單的介紹，對
于多執行緒開發而言，Future模式的應用極其廣泛，可以說這個模式已經成為了異步開發的基礎設施，
好啦如果想了解多執行緒的更多知識點可以關注我，查看歷史文章，我也會持續更新的，
敖丙把自己的面試文章整理成了一本電子書，共 1630頁！
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