Future常见误用及纠正技巧

本文深入探讨了Java并发编程中Future对象的常见误用，并提供了切实可行的解决方案。许多开发者容易将Future误用作数据存储和更新的容器，导致并发问题。文章通过分析错误代码示例，清晰地阐述了Future的正确用途——获取异步计算结果，而非直接修改数据。针对这一问题，本文提出了使用Integer数组替代Future数组的方案，并详细讲解了如何利用ReentrantLock等同步机制确保并发环境下的数据安全，避免数据竞争。同时，强调了ExecutorService的正确生命周期管理。通过阅读本文，开发者能够有效避免Future的常见误用，编写出更加健壮和可靠的Java并发程序，提升系统在高并发场景下的稳定性和性能。

本文旨在解决Java并发编程中，Future对象被错误使用于数据存储和更新的场景。通过分析常见错误用法，阐述Future的正确用途，并提供使用Integer数组替代Future数组的解决方案，同时强调并发环境下数据同步的重要性，帮助开发者避免并发陷阱。

在Java并发编程中，Future接口代表异步计算的结果。它允许我们提交一个任务到ExecutorService，并稍后获取该任务的执行结果。然而，开发者有时会误用Future，例如尝试将Future对象存储在集合中，并期望通过修改Future对象来更新数据。本文将深入探讨这种误用，并提供正确的解决方案。

错误用法示例分析

以下代码片段展示了将Future对象存储在List中，并尝试直接修改Future结果的错误做法：

var ex = Executors.newFixedThreadPool(10);

List<Future<Integer>> elements = new ArrayList<>();

for (int i = 0; i < 100; i++) {
    elements.add(ex.submit(() -> {
        int val = 1000;
        return val;
    }));
}

ex.shutdown();

int sum = 0;
for (Future<Integer> el : elements) {
    try {
        sum += el.get();
    } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
System.out.println("Initial sum: " + sum);

for (int i = 0; i < 10_000; i++) {
    ex.submit(() -> {
        int firstIndex = ThreadLocalRandom.current().nextInt(100);
        int secondIndex = ThreadLocalRandom.current().nextInt(100);
        int randomAmount = ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000);
        try {
            if (elements.get(firstIndex).get() - randomAmount > 0) {
                // 错误用法：尝试直接修改 Future 的结果
                // elements.set(firstIndex,elements.get(firstIndex).get() - randomAmount);
            }
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
}

这段代码的问题在于：

1. Future对象是只读的：一旦任务完成，Future对象的结果就确定了，无法修改。
2. elements.set(firstIndex,elements.get(firstIndex).get() - randomAmount);这行代码试图将一个Integer值赋给一个Future类型的变量，类型不匹配，导致编译错误。
3. 在提交大量任务后调用ex.shutdown()会导致后续任务无法提交。

正确的解决方案

要解决这个问题，我们需要使用可变的整数数组，并考虑并发安全问题。以下是修改后的代码示例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConcurrentArrayExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService ex = Executors.newFixedThreadPool(10);

        List<Integer> elements = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            elements.add(1000);
        }

        int sum = 0;
        for (int el : elements) {
            sum += el;
        }
        System.out.println("Initial sum: " + sum);

        // 使用锁保护共享资源
        Lock lock = new ReentrantLock();

        for (int i = 0; i < 10_000; i++) {
            ex.submit(() -> {
                int firstIndex = ThreadLocalRandom.current().nextInt(100);
                int secondIndex = ThreadLocalRandom.current().nextInt(100);
                int randomAmount = ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000);

                lock.lock(); // 获取锁
                try {
                    if (elements.get(firstIndex) - randomAmount >= 0) {
                        elements.set(firstIndex, elements.get(firstIndex) - randomAmount);
                        elements.set(secondIndex, elements.get(secondIndex) + randomAmount); // transfer to second index
                    }
                } finally {
                    lock.unlock(); // 释放锁
                }
            });
        }

        ex.shutdown();
        ex.awaitTermination(10, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS); // 等待所有任务完成

        sum = 0;
        for (int el : elements) {
            sum += el;
        }
        System.out.println("Final sum: " + sum);
    }
}

此代码做了以下改进：

1. 使用List代替List>，直接存储整数值。
2. 使用ReentrantLock确保对elements列表的并发访问是线程安全的。 在修改elements列表之前获取锁，修改完成后释放锁。
3. 添加了将金额转移到第二个索引的逻辑，更符合问题描述的“transfer”需求。
4. 注释掉了ex.shutdown()，或者将其移动到循环之后，并添加ex.awaitTermination()以确保所有任务都完成。否则，在所有任务完成之前，程序可能会退出。
5. 修改了条件判断语句，确保randomAmount小于等于elements.get(firstIndex)，避免出现负数。

注意事项

• 并发安全： 在多线程环境下，对共享数据的访问必须进行同步，以避免数据竞争和不一致性。可以使用锁（如ReentrantLock）、synchronized关键字或原子变量等机制来实现线程安全。
• Future的用途： Future的主要用途是获取异步计算的结果，而不是作为可变的数据存储。
• ExecutorService的生命周期： 正确管理ExecutorService的生命周期非常重要。在提交所有任务后，应该调用shutdown()方法，并使用awaitTermination()方法等待所有任务完成。

总结

在Java并发编程中，理解Future的正确用途至关重要。不要尝试将Future对象用于存储和修改数据。对于需要并发访问和修改的数据，应使用线程安全的数据结构，并采取适当的同步机制。通过本文的分析和示例，希望能帮助开发者避免常见的并发陷阱，编写出更健壮、更可靠的并发程序。

到这里，我们也就讲完了《Future常见误用及纠正技巧》的内容了。个人认为，基础知识的学习和巩固，是为了更好的将其运用到项目中，欢迎关注golang学习网公众号，带你了解更多关于的知识点！