23 | Future：如何用多线程实现最优的“烧水泡茶”程序？-Java并发编程实战

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23 | Future：如何用多线程实现最优的“烧水泡茶”程序？

在Java并发编程的广阔领域中，Future 接口及其实现类是处理异步计算结果的重要工具。通过 Future，我们可以在不阻塞当前线程的情况下，启动一个或多个后台任务，并在未来某个时间点获取这些任务的执行结果。这一特性在处理如“烧水泡茶”这样的多任务并行问题时尤为有效，它允许我们优化时间管理，提高程序的整体效率。

引言：烧水泡茶问题的背景

“烧水泡茶”是一个经典的并发编程示例，旨在说明如何通过合理安排任务的执行顺序和并行度来减少总耗时。在这个场景中，我们有以下几个步骤需要执行：

烧水：一个耗时较长的任务，假设需要5分钟。
准备茶具和茶叶：一个相对较短的任务，假设需要1分钟。
泡茶：需要水烧开后才能进行，假设泡茶本身也需要1分钟。

显然，如果顺序执行这些任务，总耗时将是7分钟（5分钟烧水 + 1分钟准备 + 1分钟泡茶）。然而，通过并发编程，我们可以让“准备茶具和茶叶”在“烧水”的同时进行，从而减少总耗时至6分钟（烧水和准备茶具茶叶同时进行，然后泡茶）。

使用Future优化烧水泡茶程序

在Java中，Future 接口为我们提供了一种机制来异步地执行长时间运行的任务，并在将来某个时刻获取其结果。结合 ExecutorService，我们可以轻松地实现“烧水泡茶”程序的并发优化。

第一步：定义任务

首先，我们需要定义三个任务：烧水（BoilWaterTask）、准备茶具和茶叶（PrepareTeaTask）、泡茶（BrewTeaTask）。为了简化，这里假设这些任务都实现了 Callable<Void> 接口（虽然泡茶可能更自然地接受一个参数如热水，但为了演示 Future 的使用，我们暂时忽略这一点）。

Callable<Void> boilWaterTask = () -> {
    // 模拟烧水过程
    try {
        TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
    return null;
};
Callable<Void> prepareTeaTask = () -> {
    // 模拟准备茶具和茶叶的过程
    try {
        TimeUnit.MINUTES.sleep(1);
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
    return null;
};
// 注意：实际泡茶任务可能需要一个表示“水已烧开”的Future或直接传递热水作为参数
Callable<Void> brewTeaTask = () -> {
    // 假设水已经烧开，这里仅模拟泡茶过程
    try {
        TimeUnit.MINUTES.sleep(1);
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
    return null;
};

第二步：使用ExecutorService提交任务

接下来，我们使用 ExecutorService 提交这些任务，并获取它们的 Future 对象。由于“烧水”和“准备茶具和茶叶”可以并行执行，我们将它们同时提交。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); // 创建一个固定大小的线程池
Future<Void> futureWater = executor.submit(boilWaterTask);
Future<Void> futurePreparation = executor.submit(prepareTeaTask);
// 等待准备茶具和茶叶完成（可选，因为烧水可能更耗时）
try {
    futurePreparation.get(); // 如果需要确保在泡茶前准备完成
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
    // 处理异常，如取消后续任务等
}
// 注意：在实际应用中，泡茶任务可能需要检查水是否烧开，这里为了演示简化处理
// 理论上，泡茶任务应该在水烧开后才开始执行

第三步：泡茶并处理结果

由于“泡茶”任务依赖于“水烧开”这一条件，理论上我们应该在水烧开后才执行泡茶任务。然而，由于 Future 本身的机制并不直接支持依赖关系（如 CompletableFuture），我们在这里做一个简化的处理：假设我们已经知道水何时烧开（通过外部机制或简单的延时等待）。

在实际应用中，你可能会使用 CompletableFuture 或其他并发工具来更优雅地处理这种依赖关系。但为了保持本示例聚焦于 Future 的使用，我们在这里不深入展开。

// 假设水已经烧开，现在泡茶
// 注意：这里实际上并没有使用Future来直接控制泡茶任务，因为它通常依赖于外部条件（水烧开）
// 但在真实场景中，你可能会根据futureWater的完成情况来决定是否泡茶
// 模拟泡茶
try {
    // 这里只是模拟，实际中泡茶任务可能更复杂
    TimeUnit.MINUTES.sleep(1);
    System.out.println("Tea is ready!");
} catch (InterruptedException e) {
    Thread.currentThread().interrupt();
}
// 关闭ExecutorService
executor.shutdown();

深入讨论：Future的局限性与CompletableFuture的改进

虽然 Future 提供了异步执行和结果查询的基本功能，但它也存在一些局限性：

非阻塞获取结果但不支持取消：Future.get() 会阻塞直到任务完成，且一旦调用就无法取消。
不支持链式调用和组合：Future 不支持像 CompletableFuture 那样的链式调用和组合操作，使得处理复杂的异步逻辑变得困难。
缺乏异常处理能力：Future.get() 在任务执行过程中抛出异常时，会重新抛出这些异常，但无法直接在任务执行过程中处理它们。

为了克服这些限制，Java 8 引入了 CompletableFuture，它提供了更丰富的API来支持异步编程，包括非阻塞的取消、链式调用、组合多个 CompletableFuture 以及更灵活的异常处理机制。

在“烧水泡茶”的例子中，如果使用 CompletableFuture，我们可以更优雅地处理任务间的依赖关系，如在水烧开后自动触发泡茶任务，同时保持代码的清晰和可维护性。

结论

通过 Future，我们可以在Java中实现“烧水泡茶”程序的并发优化，减少总耗时。然而，为了更灵活地处理异步编程中的复杂场景，推荐使用 CompletableFuture 或其他更现代的并发工具。这些工具不仅提供了更强大的功能，还通过更简洁的API降低了编写并发程序的难度。在实际开发中，根据具体需求选择合适的并发工具是至关重要的。