Java并发（3）Future异步调用模式

左手的ㄟ右手 2022-12-05 13:50 214阅读 0赞

### 1. CAS无锁机制 ###

**1）乐观锁和悲观锁**

**乐观锁**

总是认为不会产生并发问题，每次去取数据的时候总认为不会有其他线程对数据进行修改，因此不会上锁，但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改，一般会使用版本号机制或CAS操作实现。

version方式：一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段，表示数据被修改的次数，当数据被修改时，version值会加1。当线程A要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取version值，在提交更新时，若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

核心SQL代码：

update table set x=x+1, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version};

CAS操作方式：即compare and swap 或者 compare and set，涉及到三个操作数，数据所在的内存值，预期值，新值。当需要更新时，判断当前内存值与之前取到的值是否相等，若相等，则用新值更新，若失败则重试，一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

**悲观锁**

总是假设最坏的情况，每次取数据时都认为其他线程会修改，所以都会加锁（读锁、写锁、行锁等），当其他线程想要访问数据时，都需要阻塞挂起。可以依靠数据库实现，如行锁、读锁和写锁等，都是在操作之前加锁，在Java中，synchronized的思想也是悲观锁。

**2）CAS机制**

独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。

而另一个更加有效的锁就是乐观锁，所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。

乐观锁用到的机制就是CAS，Compare and Swap 比较和交换

**3）CAS实现原理**

**CAS有三个操作数：**

**内存值V、旧的预期值A、要修改的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做并返回false。**

模拟CAS的实现;

//CAS模拟实现，内存值为V，旧的预期值A，要修改的值B
        public class SimulatedCAS {
            private int value;
        
            public synchronized int get() {
                return value;  // 内存值 V - value
            }
        
            // 旧的预期值 A - expectedValue， 要修改的值 B - newValue
            public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
                int oldValue = value;
                if (oldValue == expectedValue) {
                    value = newValue;
                }
                return oldValue;
            }
        
            public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
                return (expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue));
            }
        }

**4）JAVA中使用了CAS 的类：**

AtomicXXX类，非阻塞队列ConcurrentLinkedQueue，跳表ConcurrentSkipList。

**5）CAS存在的不足之处：**

**1. ABA问题**。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

**2. 循环时间长开销大**。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

**3. 只能保证一个共享变量的原子操作**。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了**AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。**

AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic包中的类）

这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent包的实现示意图如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25sem5seg_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

### 2. Futrue模式 ###

Future模式核心思想是异步调用。当我们需要调用一个函数的时候，如果这个函数执行很慢，那我们只能进行等待。但有时候，我们可能不急着要结果。因此，我们可以让被调者立即返回，让他慢慢在后台处理这个请求。

![2020091019161137.png][]

**一般结合Callable接口实现**

Callable位于java.util.concurrent包下，它也是一个接口，在它里面也只声明了一个方法，只不过这个方法叫做call()：

Callable实现点击：[这篇文章][Link 1]

**1) Future接口**

Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过get方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

Future类位于java.util.concurrent包下，它是一个接口：

public interface Future<V> {
        boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
        boolean isCancelled();
        boolean isDone();
        V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
        V get(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
    }

在Future接口中声明了5个方法，下面依次解释每个方法的作用：

*  cancel方法用来取消任务，如果取消任务成功则返回true，如果取消任务失败则返回false。参数mayInterruptIfRunning表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务，如果设置true，则表示可以取消正在执行过程中的任务。如果任务已经完成，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，此方法肯定返回false，即如果取消已经完成的任务会返回false；如果任务正在执行，若mayInterruptIfRunning设置为true，则返回true，若mayInterruptIfRunning设置为false，则返回false；如果任务还没有执行，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，肯定返回true。
 *  isCancelled方法表示任务是否被取消成功，如果在任务正常完成前被取消成功，则返回 true。
 *  isDone方法表示任务是否已经完成，若任务完成，则返回true；
 *  get()方法用来获取执行结果，这个方法会产生阻塞，会一直等到任务执行完毕才返回；
 *  get(long timeout, TimeUnit unit)用来获取执行结果，如果在指定时间内，还没获取到结果，就直接返回null。

也就是说Future提供了三种功能：

1）判断任务是否完成；

2）能够中断任务；

3）能够获取任务执行结果。

因为Future只是一个接口，所以是无法直接用来创建对象使用的

使用例子：

**1.使用Callable+Future获取执行结果**

import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Future;
    import java.util.concurrent.Callable;
    import java.util.concurrent.ExecutionException;
    
    class Task implements Callable<Integer> {
        
        public Integer call() throws Exception{
            System.out.println("thread start --");
            int res = 0;
            for (int i = 0; i < 5; i++){
                try{
                    Thread.sleep(200);
                }catch(InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                }
                res += i;
            }
            return res;
        }
    }
    
    public class Main {
        public static void main(String[] args) throws Exception{
            ExecutorService excutor = Executors.newCachedThreadPool();
            Task task = new Task();
            Future<Integer> fu = excutor.submit(task);
            excutor.shutdown();
            try{
                System.out.println(fu.get());
            }catch(ExecutionException  e){
                e.printStackTrace();
            }catch(InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
            
            
        }
    }

**2）FutureTask实现类**

我们先来看一下FutureTask的实现：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

FutureTask类实现了RunnableFuture接口，我们看一下RunnableFuture接口的实现：

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

可以看出RunnableFuture继承了Runnable接口和Future接口，而FutureTask实现了RunnableFuture接口。所以它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值。

FutureTask提供了2个构造器：

public FutureTask(Callable<V> callable) {
    
    }
    
    public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
    
    }

事实上，FutureTask是Future接口的一个唯一实现类。

FutureTask 和 Future 接口的不同之处：

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
    Task task = new Task();
    Future<Integer> result = executor.submit(task);
    executor.shutdown();

实现分析：

在快递员送厨具的期间，我们肯定不会闲着，可以去超市买食材。所以，在主线程里面另起一个子线程去网购厨具。

package test;
    
    import java.util.concurrent.Callable;
    import java.util.concurrent.ExecutionException;
    import java.util.concurrent.FutureTask;
    
    public class FutureCook {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
            long startTime = System.currentTimeMillis();
            // 第一步 网购厨具
            Callable<Chuju> onlineShopping = new Callable<Chuju>() {
    
                @Override
                public Chuju call() throws Exception {
                    System.out.println("第一步：下单");
                    System.out.println("第一步：等待送货");
                    Thread.sleep(5000);  // 模拟送货时间
                    System.out.println("第一步：快递送到");
                    return new Chuju();
                }
                
            };
            FutureTask<Chuju> task = new FutureTask<Chuju>(onlineShopping);
            new Thread(task).start();
            // 第二步 去超市购买食材
            Thread.sleep(2000);  // 模拟购买食材时间
            Shicai shicai = new Shicai();
            System.out.println("第二步：食材到位");
            // 第三步 用厨具烹饪食材
            if (!task.isDone()) {  // 联系快递员，询问是否到货
                System.out.println("第三步：厨具还没到，心情好就等着（心情不好就调用cancel方法取消订单）");
            }
            Chuju chuju = task.get();
            System.out.println("第三步：厨具到位，开始展现厨艺");
            cook(chuju, shicai);
            
            System.out.println("总共用时" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
        }
        
        //  用厨具烹饪食材
        static void cook(Chuju chuju, Shicai shicai) {}
        
        // 厨具类
        static class Chuju {}
        
        // 食材类
        static class Shicai {}
    
    }

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