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Java Future详解与使用

创建线程有几种方式？这个问题的答案应该是可以脱口而出的吧

  • 继承 Thread 类
  • 实现 Runnable 接口

但这两种方式创建的线程是属于”三无产品“：

  • 没有参数
  • 没有返回值
  • 没办法抛出异常
class MyThread implements Runnable{
   @Override
   public void run() {
      log.info("my thread");
   }
}

Runnable 接口是 JDK1.0 的核心产物

 /**
 * @since   JDK1.0
 */
@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

用着 “三无产品” 总是有一些弊端，其中没办法拿到返回值是最让人不能忍的，于是 Callable 就诞生了

Callable

又是 Doug Lea 大师，又是 Java 1.5 这个神奇的版本

 /**
 * @see Executor
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 * @param <V> the result type of method {@code call}
 */
@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    
    V call() throws Exception;
}

Callable 是一个泛型接口，里面只有一个 call() 方法， 该方法可以返回泛型值 V ，使用起来就像这样： 

Callable<String> callable = () -> {
    // Perform some computation
    Thread.sleep(2000);
    return "Return some result";
};

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二者都是函数式接口，里面都仅有一个方法，使用上又是如此相似，除了有无返回值，Runnable 与 Callable 就点差别吗？

Runnable VS Callable

两个接口都是用于多线程执行任务的，但他们还是有很明显的差别的

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执行机制

先从执行机制上来看，Runnable 你太清楚了，它既可以用在 Thread 类中，也可以用在 ExecutorService 类中配合线程池的使用； Bu～～～～t， Callable 只能在 ExecutorService 中使用 ，你翻遍 Thread 类，也找不到Callable 的身影

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异常处理

Runnable 接口中的 run 方法签名上没有 throws ，自然也就没办法向上传播受检异常；而 Callable 的 call() 方法签名却有 throws ，所以它可以处理受检异常；

所以归纳起来看主要有这几处不同点：

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整体差别虽然不大，但是这点差别，却具有重大意义

返回值和处理异常很好理解，另外，在实际工作中，我们通常要使用线程池来管理线程（ 原因已经在为什么要使用线程池? 中明确说明 ），所以我们就来看看 ExecutorService 中是如何使用二者的

ExecutorService

先来看一下 ExecutorService 类图

Java Future详解与使用

我将上图标记的方法单独放在此处

void execute(Runnable command);

<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);

可以看到，使用ExecutorService 的 execute() 方法依旧得不到返回值，而 submit() 方法清一色的返回 Future 类型的返回值

细心的朋友可能已经发现， submit() 方法已经在 CountDownLatch 和 CyclicBarrier 傻傻的分不清楚？ 文章中多次使用了，只不过我们没有获取其返回值罢了，那么

  • Future 到底是什么呢？
  • 怎么通过它获取返回值呢？

我们带着这些疑问一点点来看

Future

Future 又是一个接口，里面只有五个方法：

Java Future详解与使用

从方法名称上相信你已经能看出这些方法的作用

// 取消任务
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

// 获取任务执行结果
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

// 获取任务执行结果，带有超时时间限制
V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException,  TimeoutException;

// 判断任务是否已经取消
boolean isCancelled();

// 判断任务是否已经结束
boolean isDone();

铺垫了这么多，看到这你也许有些乱了，咱们赶紧看一个例子，演示一下几个方法的作用

@Slf4j
public class FutureAndCallableExample {

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
      ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();

      // 使用 Callable ，可以获取返回值
      Callable<String> callable = () -> {
         log.info("进入 Callable 的 call 方法");
         // 模拟子线程任务，在此睡眠 2s，
         // 小细节：由于 call 方法会抛出 Exception，这里不用像使用 Runnable 的run 方法那样 try/catch 了
         Thread.sleep(5000);
         return "Hello from Callable";
      };

      log.info("提交 Callable 到线程池");
      Future<String> future = executorService.submit(callable);

      log.info("主线程继续执行");

      log.info("主线程等待获取 Future 结果");
      // Future.get() blocks until the result is available
      String result = future.get();
      log.info("主线程获取到 Future 结果: {}", result);

      executorService.shutdown();
   }
}

程序运行结果如下：

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如果你运行上述示例代码，主线程调用 future.get() 方法会阻塞自己，直到子任务完成。我们也可以使用 Future 方法提供的 isDone 方法，它可以用来检查 task 是否已经完成了，我们将上面程序做点小修改： 

// 如果子线程没有结束，则睡眠 1s 重新检查
while(!future.isDone()) {
   System.out.println("Task is still not done...");
   Thread.sleep(1000);
}

来看运行结果：

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如果子程序运行时间过长，或者其他原因，我们想 cancel 子程序的运行，则我们可以使用 Future 提供的 cancel 方法，继续对程序做一些修改

while(!future.isDone()) {
   System.out.println("子线程任务还没有结束...");
   Thread.sleep(1000);

   double elapsedTimeInSec = (System.nanoTime() - startTime)/1000000000.0;

 	 // 如果程序运行时间大于 1s，则取消子线程的运行
   if(elapsedTimeInSec > 1) {
      future.cancel(true);
   }
}

来看运行结果：

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为什么调用 cancel 方法程序会出现 CancellationException 呢？ 是因为调用 get() 方法时，明确说明了：

调用 get() 方法时，如果计算结果被取消了，则抛出 CancellationException （具体原因，你会在下面的源码分析中看到）

Java Future详解与使用

有异常不处理是非常不专业的，所以我们需要进一步修改程序，以更友好的方式处理异常

// 通过 isCancelled 方法判断程序是否被取消，如果被取消，则打印日志，如果没被取消，则正常调用 get() 方法
if (!future.isCancelled()){
   log.info("子线程任务已完成");
   String result = future.get();
   log.info("主线程获取到 Future 结果: {}", result);
}else {
   log.warn("子线程任务被取消");
}

查看程序运行结果：

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相信到这里你已经对 Future 的几个方法有了基本的使用印象，但 Future 是接口，其实使用 ExecutorService.submit() 方法返回的一直都是 Future 的实现类 FutureTask

Java Future详解与使用

接下来我们就进入这个核心实现类一探究竟

FutureTask

同样先来看类结构

Java Future详解与使用 

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

很神奇的一个接口， FutureTask 实现了 RunnableFuture 接口，而 RunnableFuture 接口又分别实现了 Runnable 和 Future 接口，所以可以推断出 FutureTask 具有这两种接口的特性：

  • 有 Runnable 特性，所以可以用在 ExecutorService 中配合线程池使用
  • 有 Future 特性，所以可以从中获取到执行结果

FutureTask源码分析

如果你完整的看过 AQS 相关分析的文章，你也许会发现，阅读 Java 并发工具类源码，我们无非就是要关注以下这三点：

- 状态 （代码逻辑的主要控制）
- 队列 （等待排队队列）
- CAS （安全的set 值）

脑海中牢记这三点，咱们开始看 FutureTask 源码，看一下它是如何围绕这三点实现相应的逻辑的

文章开头已经提到，实现 Runnable 接口形式创建的线程并不能获取到返回值，而实现 Callable 的才可以，所以 FutureTask 想要获取返回值，必定是和 Callable 有联系的，这个推断一点都没错，从构造方法中就可以看出来：

public FutureTask(Callable<V> callable) {
    if (callable == null)
        throw new NullPointerException();
    this.callable = callable;
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

即便在 FutureTask 构造方法中传入的是 Runnable 形式的线程，该构造方法也会通过 Executors.callable 工厂方法将其转换为 Callable 类型： 

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
    this.callable = Executors.callable(runnable, result);
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

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但是 FutureTask 实现的是 Runnable 接口，也就是只能重写 run() 方法，run() 方法又没有返回值，那问题来了：

  • FutureTask 是怎样在 run() 方法中获取返回值的？
  • 它将返回值放到哪里了？
  • get() 方法又是怎样拿到这个返回值的呢？

我们来看一下 run() 方法（关键代码都已标记注释）

public void run() {
  	// 如果状态不是 NEW，说明任务已经执行过或者已经被取消，直接返回
  	// 如果状态是 NEW，则尝试把执行线程保存在 runnerOffset（runner字段），如果赋值失败，则直接返回
    if (state != NEW ||
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                     null, Thread.currentThread()))
        return;
    try {
      	// 获取构造函数传入的 Callable 值
        Callable<V> c = callable;
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran;
            try {
              	// 正常调用 Callable 的 call 方法就可以获取到返回值
                result = c.call();
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
                result = null;
                ran = false;
              	// 保存 call 方法抛出的异常
                setException(ex);
            }
            if (ran)
              	// 保存 call 方法的执行结果
                set(result);
        }
    } finally {        
        runner = null;       
        int s = state;
      	// 如果任务被中断，则执行中断处理
        if (s >= INTERRUPTING)
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}

run() 方法没有返回值，至于 run() 方法是如何将 call() 方法的返回结果和异常都保存起来的呢？其实非常简单, 就是通过 set(result) 保存正常程序运行结果，或通过 setException(ex) 保存程序异常信息 

/** The result to return or exception to throw from get() */
private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes

// 保存异常结果
protected void setException(Throwable t) {
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = t;
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

// 保存正常结果
protected void set(V v) {
  if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
    outcome = v;
    UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
    finishCompletion();
  }
}

setException 和 set 方法非常相似，都是将异常或者结果保存在 Object 类型的 outcome 变量中， outcome 是成员变量，就要考虑线程安全，所以他们要通过 CAS方式设置 outcome 变量的值，既然是在 CAS 成功后 更改 outcome 的值，这也就是 outcome 没有被 volatile 修饰的原因所在。

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保存正常结果值（set方法）与保存异常结果值（setException方法）两个方法代码逻辑，唯一的不同就是 CAS 传入的 state 不同。我们上面提到，state 多数用于控制代码逻辑，FutureTask 也是这样，所以要搞清代码逻辑，我们需要先对 state 的状态变化有所了解

 /*
 *
 * Possible state transitions:
 * NEW -> COMPLETING -> NORMAL  //执行过程顺利完成
 * NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL //执行过程出现异常
 * NEW -> CANCELLED // 执行过程中被取消
 * NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED //执行过程中，线程被中断
 */
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;

7种状态，千万别慌，整个状态流转其实只有四种线路

Java Future详解与使用

FutureTask 对象被创建出来，state 的状态就是 NEW 状态，从上面的构造函数中你应该已经发现了，四个最终状态 NORMAL ，EXCEPTIONAL ， CANCELLED ， INTERRUPTED 也都很好理解，两个中间状态稍稍有点让人困惑:

  • COMPLETING: outcome 正在被set 值的时候
  • INTERRUPTING：通过 cancel(true) 方法正在中断线程的时候

总的来说，这两个中间状态都表示一种瞬时状态，我们将几种状态图形化展示一下：

Java Future详解与使用

我们知道了 run() 方法是如何保存结果的，以及知道了将正常结果/异常结果保存到了 outcome 变量里，那就需要看一下 FutureTask 是如何通过 get() 方法获取结果的：

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
  	// 如果 state 还没到 set outcome 结果的时候，则调用 awaitDone() 方法阻塞自己
    if (s <= COMPLETING)
        s = awaitDone(false, 0L);
  	// 返回结果
    return report(s);
}

awaitDone 方法是 FutureTask 最核心的一个方法

// get 方法支持超时限制，如果没有传入超时时间，则接受的参数是 false 和 0L
// 有等待就会有队列排队或者可响应中断，从方法签名上看有 InterruptedException，说明该方法这是可以被中断的
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException {
  	// 计算等待截止时间
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    WaitNode q = null;
    boolean queued = false;
    for (;;) {
      	// 如果当前线程被中断，如果是，则在等待对立中删除该节点，并抛出 InterruptedException
        if (Thread.interrupted()) {
            removeWaiter(q);
            throw new InterruptedException();
        }

        int s = state;
      	// 状态大于 COMPLETING 说明已经达到某个最终状态（正常结束/异常结束/取消）
      	// 把 thread 只为空，并返回结果
        if (s > COMPLETING) {
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
      	// 如果是COMPLETING 状态（中间状态），表示任务已结束，但 outcome 赋值还没结束，这时主动让出执行权，让其他线程优先执行（只是发出这个信号，至于是否别的线程执行一定会执行可是不一定的）
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
            Thread.yield();
      	// 等待节点为空
        else if (q == null)
          	// 将当前线程构造节点
            q = new WaitNode();
      	// 如果还没有入队列，则把当前节点加入waiters首节点并替换原来waiters
        else if (!queued)
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                                 q.next = waiters, q);
      	// 如果设置超时时间
        else if (timed) {
            nanos = deadline - System.nanoTime();
          	// 时间到，则不再等待结果
            if (nanos <= 0L) {
                removeWaiter(q);
                return state;
            }
          	// 阻塞等待特定时间
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
        }
        else
          	// 挂起当前线程，知道被其他线程唤醒
            LockSupport.park(this);
    }
}

总的来说，进入这个方法，通常会经历三轮循环

q == null
!queue

对于第二轮循环，大家可能稍稍有点迷糊，我们前面说过，有阻塞，就会排队，有排队自然就有队列，FutureTask 内部同样维护了一个队列

/** Treiber stack of waiting threads */
private volatile WaitNode waiters;

说是等待队列，其实就是一个 Treiber 类型 stack，既然是 stack， 那就像手枪的弹夹一样（脑补一下子弹放入弹夹的情形），后进先出，所以刚刚说的第二轮循环，会把新生成的节点添加到 waiters stack 的首节点

如果程序运行正常，通常调用 get() 方法，会将当前线程挂起，那谁来唤醒呢？自然是 run() 方法运行完会唤醒，设置返回结果（set方法）/异常的方法(setException方法) 两个方法中都会调用 finishCompletion 方法，该方法就会唤醒等待队列中的线程

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;
                  	// 唤醒等待队列中的线程
                    LockSupport.unpark(t);
                }
                WaitNode next = q.next;
                if (next == null)
                    break;
                q.next = null; // unlink to help gc
                q = next;
            }
            break;
        }
    }

    done();

    callable = null;        // to reduce footprint
}

将一个任务的状态设置成终止态只有三种方法：

  • set
  • setException
  • cancel

前两种方法已经分析完，接下来我们就看一下 cancel 方法

查看 Future cancel()，该方法注释上明确说明三种 cancel 操作一定失败的情形

  1. 任务已经执行完成了
  2. 任务已经被取消过了
  3. 任务因为某种原因不能被取消

其它情况下，cancel操作将返回true。值得注意的是，cancel操作返回 true 并不代表任务真的就是被取消, 这取决于发动cancel状态时，任务所处的状态

  • 如果发起cancel时任务还没有开始运行，则随后任务就不会被执行；
  • 如果发起cancel时任务已经在运行了，则这时就需要看 mayInterruptIfRunning 参数了：
    • 如果mayInterruptIfRunning 为true, 则当前在执行的任务会被中断
    • 如果mayInterruptIfRunning 为false, 则可以允许正在执行的任务继续运行，直到它执行完

有了这些铺垫，看一下 cancel 代码的逻辑就秒懂了

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
  
    if (!(state == NEW &&
          UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
              mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
        return false;
    try {    // in case call to interrupt throws exception
      	// 需要中断任务执行线程
        if (mayInterruptIfRunning) {
            try {
                Thread t = runner;
              	// 中断线程
                if (t != null)
                    t.interrupt();
            } finally { // final state
              	// 修改为最终状态 INTERRUPTED
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
            }
        }
    } finally {
      	// 唤醒等待中的线程
        finishCompletion();
    }
    return true;
}

核心方法终于分析完了，到这咱们喝口茶休息一下吧

Java Future详解与使用

我是想说，使用 FutureTask 来演练烧水泡茶经典程序

Java Future详解与使用

如上图：

  • 洗水壶 1 分钟
  • 烧开水 15 分钟
  • 洗茶壶 1 分钟
  • 洗茶杯 1 分钟
  • 拿茶叶 2 分钟

最终泡茶

让我心算一下，如果串行总共需要 20 分钟，但很显然在烧开水期间，我们可以洗茶壶/洗茶杯/拿茶叶

Java Future详解与使用

这样总共需要 16 分钟，节约了 4分钟时间，烧水泡茶尚且如此，在现在高并发的时代，4分钟可以做的事太多了，学会使用 Future 优化程序是必然（ 其实优化程序就是寻找关键路径，关键路径找到了，非关键路径的任务通常就可以和关键路径的内容并行执行了 ） 

@Slf4j
public class MakeTeaExample {

   public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
      ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);

      // 创建线程1的FutureTask
      FutureTask<String> ft1 = new FutureTask<String>(new T1Task());
      // 创建线程2的FutureTask
      FutureTask<String> ft2 = new FutureTask<String>(new T2Task());

      executorService.submit(ft1);
      executorService.submit(ft2);

      log.info(ft1.get() + ft2.get());
      log.info("开始泡茶");

      executorService.shutdown();
   }

   static class T1Task implements Callable<String> {

      @Override
      public String call() throws Exception {
         log.info("T1:洗水壶...");
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

         log.info("T1:烧开水...");
         TimeUnit.SECONDS.sleep(15);

         return "T1:开水已备好";
      }
   }

   static class T2Task implements Callable<String> {
      @Override
      public String call() throws Exception {
         log.info("T2:洗茶壶...");
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

         log.info("T2:洗茶杯...");
         TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

         log.info("T2:拿茶叶...");
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         return "T2:福鼎白茶拿到了";
      }
   }
}

上面的程序是主线程等待两个 FutureTask 的执行结果，线程1 烧开水时间更长，线程1希望在水烧开的那一刹那就可以拿到茶叶直接泡茶，怎么半呢？

Java Future详解与使用

那只需要在线程 1 的FutureTask 中获取 线程 2 FutureTask 的返回结果就可以了，我们稍稍修改一下程序：

@Slf4j
public class MakeTeaExample1 {

   public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
      ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);

      // 创建线程2的FutureTask
      FutureTask<String> ft2 = new FutureTask<String>(new T2Task());
      // 创建线程1的FutureTask
      FutureTask<String> ft1 = new FutureTask<String>(new T1Task(ft2));
      
      executorService.submit(ft1);
      executorService.submit(ft2);

      executorService.shutdown();
   }

   static class T1Task implements Callable<String> {

      private FutureTask<String> ft2;
      public T1Task(FutureTask<String> ft2) {
         this.ft2 = ft2;
      }

      @Override
      public String call() throws Exception {
         log.info("T1:洗水壶...");
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

         log.info("T1:烧开水...");
         TimeUnit.SECONDS.sleep(15);

         String t2Result = ft2.get();
         log.info("T1 拿到T2的 {}， 开始泡茶", t2Result);
         return "T1: 上茶！！！";
      }
   }

   static class T2Task implements Callable<String> {
      @Override
      public String call() throws Exception {
         log.info("T2:洗茶壶...");
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

         log.info("T2:洗茶杯...");
         TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

         log.info("T2:拿茶叶...");
         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         return "福鼎白茶";
      }
   }
}

来看程序运行结果：

Java Future详解与使用

知道这个变化后我们再回头看 ExecutorService 的三个 submit 方法：

<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);

第一种方法，逐层代码查看到这里：

Java Future详解与使用

你会发现，和我们改造烧水泡茶的程序思维是相似的，可以传进去一个 result，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

第二个方法参数是 Runnable 类型参数，即便调用 get() 方法也是返回 null，所以仅是可以用来断言任务已经结束了，类似 Thread.join()

第三个方法参数是 Callable 类型参数，通过get() 方法可以明确获取 call() 方法的返回值

到这里，关于 Future 的整块讲解就结束了，还是需要简单消化一下的

Java Future详解与使用

总结

如果熟悉 Javascript 的朋友，Future 的特性和 Javascript 的 Promise 是类似的，私下开玩笑通常将其比喻成 男朋友的承诺

回归到Java，我们从 JDK 的演变历史，谈及 Callable 的诞生，它弥补了 Runnable 没有返回值的空缺，通过简单的 demo 了解 Callable 与 Future 的使用。 FutureTask 又是 Future接口的核心实现类，通过阅读源码了解了整个实现逻辑，最后结合FutureTask 和线程池演示烧水泡茶程序，相信到这里，你已经可以轻松获取线程结果了

烧水泡茶是非常简单的，如果更复杂业务逻辑，以这种方式使用 Future 必定会带来很大的会乱（程序结束没办法主动通知，Future 的链接和整合都需要手动操作）为了解决这个短板，没错，又是那个男人 Doug Lea, CompletableFuture 工具类在 Java1.8 的版本出现了，搭配 Lambda 的使用，让我们编写异步程序也像写串行代码那样简单，纵享丝滑

Java Future详解与使用

接下来我们就了解一下 CompletableFuture 的使用

原文  https://dayarch.top/p/java-future-and-callable.html
正文到此结束
所属分类： Java 编程技术

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