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先上一个场景：假如你突然想做饭，但是没有厨具，也没有食材。网上购买厨具比较方便，食材去超市买更放心。

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。

但是，子线程执行的结果是要返回厨具的，而run方法是没有返回值的。所以，这才是难点，需要好好考虑一下。

模拟代码1：

package test;public class CommonCook {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {long startTime = System.currentTimeMillis();// 第一步 网购厨具OnlineShopping thread = new OnlineShopping();thread.start();thread.join();  // 保证厨具送到// 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System.out.println("第三步：开始展现厨艺");cook(thread.chuju, shicai);System.out.println("总共用时" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");}// 网购厨具线程static class OnlineShopping extends Thread {private Chuju chuju;@Overridepublic void run() {System.out.println("第一步：下单");System.out.println("第一步：等待送货");try {Thread.sleep(5000);  // 模拟送货时间} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("第一步：快递送到");chuju = new Chuju();}}//  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 {}
} 

运行结果：

第一步：下单
第一步：等待送货
第一步：快递送到
第二步：食材到位
第三步：开始展现厨艺
总共用时7013ms

可以看到，多线程已经失去了意义。在厨具送到期间，我们不能干任何事。对应代码，就是调用join方法阻塞主线程。

有人问了，不阻塞主线程行不行？？？

不行！！！

从代码来看的话，run方法不执行完，属性chuju就没有被赋值，还是null。换句话说，没有厨具，怎么做饭。

Java现在的多线程机制，核心方法run是没有返回值的；如果要保存run方法里面的计算结果，必须等待run方法计算完，无论计算过程多么耗时。

面对这种尴尬的处境，程序员就会想：在子线程run方法计算的期间，能不能在主线程里面继续异步执行？？？

Where there is a will，there is a way！！！

这种想法的核心就是Future模式，下面先应用一下Java自己实现的Future模式。

模拟代码2：

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>() {@Overridepublic 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 {}}

运行结果：

第一步：下单
第一步：等待送货
第二步：食材到位
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）
第一步：快递送到
第三步：厨具到位，开始展现厨艺
总共用时5005ms

可以看见，在快递员送厨具的期间，我们没有闲着，可以去买食材；而且我们知道厨具到没到，甚至可以在厨具没到的时候，取消订单不要了。

好神奇，有没有。

下面具体分析一下第二段代码：

1）把耗时的网购厨具逻辑，封装到了一个Callable的call方法里面。

public interface Callable<V> {/*** Computes a result, or throws an exception if unable to do so.** @return computed result* @throws Exception if unable to compute a result*/V call() throws Exception;
}

Callable接口可以看作是Runnable接口的补充，call方法带有返回值，并且可以抛出异常。

2）把Callable实例当作参数，生成一个FutureTask的对象，然后把这个对象当作一个Runnable，作为参数另起线程。

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V>

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;
}

这个继承体系中的核心接口是Future。Future的核心思想是：一个方法f，计算过程可能非常耗时，等待f返回，显然不明智。可以在调用f的时候，立马返回一个Future，可以通过Future这个数据结构去控制方法f的计算过程。

这里的控制包括：

get方法：获取计算结果（如果还没计算完，也是必须等待的）

cancel方法：还没计算完，可以取消计算过程

isDone方法：判断是否计算完

isCancelled方法：判断计算是否被取消

这些接口的设计很完美，FutureTask的实现注定不会简单，后面再说。

3）在第三步里面，调用了isDone方法查看状态，然后直接调用task.get方法获取厨具，不过这时还没送到，所以还是会等待3秒。对比第一段代码的执行结果，这里我们节省了2秒。这是因为在快递员送货期间，我们去超市购买食材，这两件事在同一时间段内异步执行。

通过以上3步，我们就完成了对Java原生Future模式最基本的应用。下面具体分析下FutureTask的实现，先看JDK8的，再比较一下JDK6的实现。

既然FutureTask也是一个Runnable，那就看看它的run方法

public void run() {if (state != NEW ||!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,null, Thread.currentThread()))return;try {Callable<V> c = callable; // 这里的callable是从构造方法里面传人的if (c != null && state == NEW) {V result;boolean ran;try {result = c.call();ran = true;} catch (Throwable ex) {result = null;ran = false;setException(ex); // 保存call方法抛出的异常}if (ran)set(result); // 保存call方法的执行结果}} finally {// runner must be non-null until state is settled to// prevent concurrent calls to run()runner = null;// state must be re-read after nulling runner to prevent// leaked interruptsint s = state;if (s >= INTERRUPTING)handlePossibleCancellationInterrupt(s);}}

先看try语句块里面的逻辑，发现run方法的主要逻辑就是运行Callable的call方法，然后将保存结果或者异常（用的一个属性result）。这里比较难想到的是，将call方法抛出的异常也保存起来了。

这里表示状态的属性state是个什么鬼

     * Possible state transitions:* NEW -> COMPLETING -> NORMAL* NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL* NEW -> CANCELLED* NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED*/private volatile int state;private static final int NEW          = 0;private static final int COMPLETING   = 1;private static final int NORMAL       = 2;private static final int EXCEPTIONAL  = 3;private static final int CANCELLED    = 4;private static final int INTERRUPTING = 5;private static final int INTERRUPTED  = 6;

把FutureTask看作一个Future，那么它的作用就是控制Callable的call方法的执行过程，在执行的过程中自然会有状态的转换：

1）一个FutureTask新建出来，state就是NEW状态；COMPETING和INTERRUPTING用的进行时，表示瞬时状态，存在时间极短(为什么要设立这种状态？？？不解)；NORMAL代表顺利完成；EXCEPTIONAL代表执行过程出现异常；CANCELED代表执行过程被取消；INTERRUPTED被中断

2）执行过程顺利完成：NEW -> COMPLETING -> NORMAL

3）执行过程出现异常：NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL

4）执行过程被取消：NEW -> CANCELLED

5）执行过程中，线程中断：NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED

代码中状态判断、CAS操作等细节，请读者自己阅读。

再看看get方法的实现：

    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {int s = state;if (s <= COMPLETING)s = awaitDone(false, 0L);return report(s);}

    private int awaitDone(boolean timed, long nanos)throws InterruptedException {final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;WaitNode q = null;boolean queued = false;for (;;) {if (Thread.interrupted()) {removeWaiter(q);throw new InterruptedException();}int s = state;if (s > COMPLETING) {if (q != null)q.thread = null;return s;}else if (s == COMPLETING) // cannot time out yetThread.yield();else if (q == null)q = new WaitNode();else if (!queued)queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,q.next = waiters, q);else if (timed) {nanos = deadline - System.nanoTime();if (nanos <= 0L) {removeWaiter(q);return state;}LockSupport.parkNanos(this, nanos);}elseLockSupport.park(this);}}

get方法的逻辑很简单，如果call方法的执行过程已完成，就把结果给出去；如果未完成，就将当前线程挂起等待。awaitDone方法里面死循环的逻辑，推演几遍就能弄懂；它里面挂起线程的主要创新是定义了WaitNode类，来将多个等待线程组织成队列，这是与JDK6的实现最大的不同。

挂起的线程何时被唤醒：

    private void finishCompletion() {// assert state > COMPLETING;for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {for (;;) {Thread t = q.thread;if (t != null) {q.thread = null;LockSupport.unpark(t); // 唤醒线程}WaitNode next = q.next;if (next == null)break;q.next = null; // unlink to help gcq = next;}break;}}done();callable = null;        // to reduce footprint}

以上就是JDK8的大体实现逻辑，像cancel、set等方法，也请读者自己阅读。

再来看看JDK6的实现。

JDK6的FutureTask的基本操作都是通过自己的内部类Sync来实现的，而Sync继承自AbstractQueuedSynchronizer这个出镜率极高的并发工具类

       /** State value representing that task is running */private static final int RUNNING   = 1;/** State value representing that task ran */private static final int RAN       = 2;/** State value representing that task was cancelled */private static final int CANCELLED = 4;/** The underlying callable */private final Callable<V> callable;/** The result to return from get() */private V result;/** The exception to throw from get() */private Throwable exception;

里面的状态只有基本的几个，而且计算结果和异常是分开保存的。

        V innerGet() throws InterruptedException, ExecutionException {acquireSharedInterruptibly(0);if (getState() == CANCELLED)throw new CancellationException();if (exception != null)throw new ExecutionException(exception);return result;}

这个get方法里面处理等待线程队列的方式是调用了acquireSharedInterruptibly方法，看过我之前几篇博客文章的读者应该非常熟悉了。其中的等待线程队列、线程挂起和唤醒等逻辑，这里不再赘述，如果不明白，请出门左转。

最后来看看，Future模式衍生出来的更高级的应用。

再上一个场景：我们自己写一个简单的数据库连接池，能够复用数据库连接，并且能在高并发情况下正常工作。

实现代码1：

package test;import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;public class ConnectionPool {private ConcurrentHashMap<String, Connection> pool = new ConcurrentHashMap<String, Connection>();public Connection getConnection(String key) {Connection conn = null;if (pool.containsKey(key)) {conn = pool.get(key);} else {conn = createConnection();pool.putIfAbsent(key, conn);}return conn;}public Connection createConnection() {return new Connection();}class Connection {}
}

我们用了ConcurrentHashMap，这样就不必把getConnection方法置为synchronized(当然也可以用Lock)，当多个线程同时调用getConnection方法时，性能大幅提升。

貌似很完美了，但是有可能导致多余连接的创建，推演一遍：

某一时刻，同时有3个线程进入getConnection方法，调用pool.containsKey(key)都返回false，然后3个线程各自都创建了连接。虽然ConcurrentHashMap的put方法只会加入其中一个，但还是生成了2个多余的连接。如果是真正的数据库连接，那会造成极大的资源浪费。

所以，我们现在的难点是：如何在多线程访问getConnection方法时，只执行一次createConnection。

结合之前Future模式的实现分析：当3个线程都要创建连接的时候，如果只有一个线程执行createConnection方法创建一个连接，其它2个线程只需要用这个连接就行了。再延伸，把createConnection方法放到一个Callable的call方法里面，然后生成FutureTask。我们只需要让一个线程执行FutureTask的run方法，其它的线程只执行get方法就好了。

上代码：

package test;import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;public class ConnectionPool {private ConcurrentHashMap<String, FutureTask<Connection>> pool = new ConcurrentHashMap<String, FutureTask<Connection>>();public Connection getConnection(String key) throws InterruptedException, ExecutionException {FutureTask<Connection> connectionTask = pool.get(key);if (connectionTask != null) {return connectionTask.get();} else {Callable<Connection> callable = new Callable<Connection>() {@Overridepublic Connection call() throws Exception {return createConnection();}};FutureTask<Connection> newTask = new FutureTask<Connection>(callable);connectionTask = pool.putIfAbsent(key, newTask);if (connectionTask == null) {connectionTask = newTask;connectionTask.run();}return connectionTask.get();}}public Connection createConnection() {return new Connection();}class Connection {}
}

推演一遍：当3个线程同时进入else语句块时，各自都创建了一个FutureTask，但是ConcurrentHashMap只会加入其中一个。第一个线程执行pool.putIfAbsent方法后返回null，然后connectionTask被赋值，接着就执行run方法去创建连接，最后get。后面的线程执行pool.putIfAbsent方法不会返回null，就只会执行get方法。

在并发的环境下，通过FutureTask作为中间转换，成功实现了让某个方法只被一个线程执行。

就这么多吧，真是呕心沥血啊！！！哈哈