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# 23 | Future：如何用多线程实现最优的“烧水泡茶”程序？
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在上一篇文章[《22 | Executor与线程池：如何创建正确的线程池？》](https://time.geekbang.org/column/article/90771)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。
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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。
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## 如何获取任务执行结果
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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。
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```
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// 提交Runnable任务
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Future<?>
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submit(Runnable task);
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// 提交Callable任务
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<T> Future<T>
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submit(Callable<T> task);
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// 提交Runnable任务及结果引用
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<T> Future<T>
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submit(Runnable task, T result);
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```
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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。
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```
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// 取消任务
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boolean cancel(
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boolean mayInterruptIfRunning);
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// 判断任务是否已取消
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boolean isCancelled();
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// 判断任务是否已结束
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boolean isDone();
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// 获得任务执行结果
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get();
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// 获得任务执行结果，支持超时
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get(long timeout, TimeUnit unit);
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```
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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。
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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()。
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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。
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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。
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```
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ExecutorService executor
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= Executors.newFixedThreadPool(1);
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// 创建Result对象r
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Result r = new Result();
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r.setAAA(a);
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// 提交任务
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Future<Result> future =
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executor.submit(new Task(r), r);
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Result fr = future.get();
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// 下面等式成立
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fr === r;
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fr.getAAA() === a;
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fr.getXXX() === x
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class Task implements Runnable{
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Result r;
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//通过构造函数传入result
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Task(Result r){
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this.r = r;
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}
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void run() {
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//可以操作result
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a = r.getAAA();
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r.setXXX(x);
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}
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}
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```
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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。
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```
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FutureTask(Callable<V> callable);
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FutureTask(Runnable runnable, V result);
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```
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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。
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```
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// 创建FutureTask
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FutureTask<Integer> futureTask
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= new FutureTask<>(()-> 1+2);
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// 创建线程池
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ExecutorService es =
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Executors.newCachedThreadPool();
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// 提交FutureTask
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es.submit(futureTask);
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// 获取计算结果
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Integer result = futureTask.get();
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```
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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。
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```
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// 创建FutureTask
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FutureTask<Integer> futureTask
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= new FutureTask<>(()-> 1+2);
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// 创建并启动线程
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Thread T1 = new Thread(futureTask);
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T1.start();
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// 获取计算结果
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Integer result = futureTask.get();
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```
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## 实现最优的“烧水泡茶”程序
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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：
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烧水泡茶最优工序
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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。
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烧水泡茶最优分工方案
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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。
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```
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// 创建任务T2的FutureTask
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FutureTask<String> ft2
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= new FutureTask<>(new T2Task());
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// 创建任务T1的FutureTask
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FutureTask<String> ft1
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= new FutureTask<>(new T1Task(ft2));
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// 线程T1执行任务ft1
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Thread T1 = new Thread(ft1);
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T1.start();
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// 线程T2执行任务ft2
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Thread T2 = new Thread(ft2);
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T2.start();
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// 等待线程T1执行结果
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System.out.println(ft1.get());
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// T1Task需要执行的任务：
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// 洗水壶、烧开水、泡茶
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class T1Task implements Callable<String>{
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FutureTask<String> ft2;
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// T1任务需要T2任务的FutureTask
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T1Task(FutureTask<String> ft2){
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this.ft2 = ft2;
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}
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@Override
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String call() throws Exception {
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System.out.println("T1:洗水壶...");
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TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
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System.out.println("T1:烧开水...");
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TimeUnit.SECONDS.sleep(15);
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// 获取T2线程的茶叶
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String tf = ft2.get();
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System.out.println("T1:拿到茶叶:"+tf);
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System.out.println("T1:泡茶...");
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return "上茶:" + tf;
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}
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}
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// T2Task需要执行的任务:
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// 洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶
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class T2Task implements Callable<String> {
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|
@Override
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|
String call() throws Exception {
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|
System.out.println("T2:洗茶壶...");
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|
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
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System.out.println("T2:洗茶杯...");
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TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
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System.out.println("T2:拿茶叶...");
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TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
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return "龙井";
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}
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|
}
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// 一次执行结果：
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T1:洗水壶...
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T2:洗茶壶...
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T1:烧开水...
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T2:洗茶杯...
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T2:拿茶叶...
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T1:拿到茶叶:龙井
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T1:泡茶...
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上茶:龙井
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```
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## 总结
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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。
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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。
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## 课后思考
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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。
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```
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// 向电商S1询价，并保存
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r1 = getPriceByS1();
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save(r1);
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// 向电商S2询价，并保存
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r2 = getPriceByS2();
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save(r2);
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// 向电商S3询价，并保存
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r3 = getPriceByS3();
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save(r3);
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