类型 Future
最后更新于：2022-04-01 02:13:34
作为一个对 Scala 充满热情的开发者，你应该已经听说过 Scala 处理并发的能力，或许你就是被这个吸引来的。相较于大多数编程语言低级的并发 API，Scala 提供的方法可以让人们更好的理解并发以及编写良构的并发程序。
本章的主题- Future 就是这种方法的两大基石之一。（另一个是 actor）我会解释 Future 的优点，以及它的函数式特征。
如果你想动手试试接下来的例子，请确保 Scala 版本不低于 2.9.3，Future 在 2.10.0 版本中引入，并向后兼容到 2.9.3，最初，它是 Akka 库的一部分（API略有不同）。
### 顺序代码为什么会变坏
假设你想准备一杯卡布奇诺，你可以一个接一个的执行以下步骤：
1. 研磨所需的咖啡豆
1. 加热一些水
1. 用研磨好的咖啡豆和热水制做一杯咖啡
1. 打奶泡
1. 结合咖啡和奶泡做成卡布奇诺
转换成 Scala 代码，可能会是这样：
~~~
import scala.util.Try
// Some type aliases, just for getting more meaningful method signatures:
type CoffeeBeans = String
type GroundCoffee = String
case class Water(temperature: Int)
type Milk = String
type FrothedMilk = String
type Espresso = String
type Cappuccino = String
// dummy implementations of the individual steps:
def grind(beans: CoffeeBeans): GroundCoffee = s"ground coffee of $beans"
def heatWater(water: Water): Water ` water.copy(temperature ` 85)
def frothMilk(milk: Milk): FrothedMilk = s"frothed $milk"
def brew(coffee: GroundCoffee, heatedWater: Water): Espresso = "espresso"
def combine(espresso: Espresso, frothedMilk: FrothedMilk): Cappuccino = "cappuccino"
// some exceptions for things that might go wrong in the individual steps
// (we'll need some of them later, use the others when experimenting with the code):
case class GrindingException(msg: String) extends Exception(msg)
case class FrothingException(msg: String) extends Exception(msg)
case class WaterBoilingException(msg: String) extends Exception(msg)
case class BrewingException(msg: String) extends Exception(msg)
// going through these steps sequentially:
def prepareCappuccino(): Try[Cappuccino] = for {
ground <- Try(grind("arabica beans"))
water <- Try(heatWater(Water(25)))
espresso <- Try(brew(ground, water))
foam <- Try(frothMilk("milk"))
} yield combine(espresso, foam)
~~~
这样做有几个优点：可以很轻易的弄清楚事情的步骤，一目了然，而且不会混淆。（毕竟没有上下文切换）不好的一面是，大部分时间，你的大脑和身体都处于等待的状态：在等待研磨咖啡豆时，你完全不能做任何事情，只有当这一步完成后，你才能开始烧水。这显然是在浪费时间，所以你可能想一次开始多个步骤，让它们同时执行，一旦水烧开，咖啡豆也磨好了，你可以制做咖啡了，这期间，打奶泡也可以开始了。
这和编写软件没什么不同。一个 Web 服务器可以用来处理和响应请求的线程只有那么多，不能因为要等待数据库查询或其他 HTTP 服务调用的结果而阻塞了这些可贵的线程。相反，一个异步编程模型和非阻塞 IO 会更合适，这样的话，当一个请求处理在等待数据库查询结果时，处理这个请求的线程也能够为其他请求服务。
> "I heard you like callbacks, so I put a callback in your callback!"
在并发家族里，你应该已经知道 nodejs 这个很酷的家伙，nodejs 完全通过回调来通信，不幸的是，这很容易导致回调中包含回调的回调，这简直是一团糟，代码难以阅读和调试。
Scala 的 Future 也允许回调，但它提供了更好的选择，所以你不怎么需要它。
> "I know Futures, and they are completely useless!"
也许你知道些其他的 Future 实现，最引人注目的是 Java 提供的那个。但是对于 Java 的 Future，你只能去查看它是否已经完成，或者阻塞线程直到其结束。简而言之，Java 的 Future 几乎没有用，而且用起来绝对不会让人开心。
如果你认为 Scala 的 Future 也是这样，那大错特错了！
### Future 语义
_scala.concurrent_ 包里的 `Future[T]` 是一个容器类型，代表一种返回值类型为 `T` 的计算。计算可能会出错，也可能会超时；从而，当一个 future 完成时，它可能会包含异常，而不是你期望的那个值。
Future 只能写一次： 当一个 future 完成后，它就不能再被改变了。同时，Future 只提供了读取计算值的接口，写入计算值的任务交给了 Promise，这样，API 层面上会有一个清晰的界限。这篇文章里，我们主要关注前者，下一章会介绍 Promise 的使用。
### 使用 Future
Future 有多种使用方式，我将通过重写 “卡布奇诺” 这个例子来说明。
首先，所有可以并行执行的函数，应该返回一个 Future：
~~~
import scala.concurrent.future
import scala.concurrent.Future
import scala.concurrent.ExecutionContext.Implicits.global
import scala.concurrent.duration._
import scala.util.Random
def grind(beans: CoffeeBeans): Future[GroundCoffee] = Future {
println("start grinding...")
Thread.sleep(Random.nextInt(2000))
if (beans == "baked beans") throw GrindingException("are you joking?")
println("finished grinding...")
s"ground coffee of $beans"
}
def heatWater(water: Water): Future[Water] = Future {
println("heating the water now")
Thread.sleep(Random.nextInt(2000))
println("hot, it's hot!")
water.copy(temperature = 85)
}
def frothMilk(milk: Milk): Future[FrothedMilk] = Future {
println("milk frothing system engaged!")
Thread.sleep(Random.nextInt(2000))
println("shutting down milk frothing system")
s"frothed $milk"
}
def brew(coffee: GroundCoffee, heatedWater: Water): Future[Espresso] = Future {
println("happy brewing :)")
Thread.sleep(Random.nextInt(2000))
println("it's brewed!")
"espresso"
}
~~~
上面的代码有几处需要解释。
首先是 Future 伴生对象里的 `apply` 方法需要两个参数：
~~~
object Future {
def apply[T](body: => T)(implicit execctx: ExecutionContext): Future[T]
}
~~~
要异步执行的计算通过传名参数 `body` 传入。第二个参数是一个隐式参数，隐式参数是说，函数调用时，如果作用域中存在一个匹配的隐式值，就无需显示指定这个参数。`ExecutionContext` 可以执行一个 Future，可以把它看作是一个线程池，是绝大部分 Future API 的隐式参数。
`import scala.concurrent.ExecutionContext.Implicits.global` 语句引入了一个全局的执行上下文，确保了隐式值的存在。这时候，只需要一个单元素列表,可以用大括号来代替小括号。调用 `future` 方法时，经常使用这种形式，使得它看起来像是一种语言特性，而不是一个普通方法的调用。
这个例子没有大量计算，所以用随机休眠来模拟以说明问题，而且，为了更清晰的说明并发代码的执行顺序，还在“计算”之前和之后打印了些东西。
计算会在 Future 创建后的某个不确定时间点上由 `ExecutionContext` 给其分配的某个线程中执行。
#### 回调
对于一些简单的问题，使用回调就能很好解决。Future 的回调是偏函数，你可以把回调传递给 Future 的 `onSuccess` 方法，如果这个 Future 成功完成，这个回调就会执行，并把 Future 的返回值作为参数输入：
~~~
grind("arabica beans").onSuccess { case ground =>
println("okay, got my ground coffee")
}
~~~
类似的，也可以在 `onFailure` 上注册回调，只不过它是在 Future 失败时调用，其输入是一个 `Throwable`。
通常的做法是将两个回调结合在一起以更好的处理 Future：在 `onComplete` 方法上注册回调，回调的输入是一个 Try。
~~~
import scala.util.{Success, Failure}
grind("baked beans").onComplete {
case Success(ground) => println(s"got my $ground")
case Failure(ex) => println("This grinder needs a replacement, seriously!")
}
~~~
传递给 `grind` 的是 “baked beans”，因此 `grind` 方法会产生异常，进而导致 Future 中的计算失败。
#### Future 组合
当嵌套使用 Future 时，回调就变得比较烦人。不过，你也没必要这么做，因为 Future 是可组合的，这是它真正发挥威力的时候！
你一定已经注意到，之前讨论过的所有容器类型都可以进行 `map` 、 `flatMap` 操作，也可以用在 for 语句中。作为一种容器类型，Future 支持这些操作也不足为奇！
真正的问题是，在还没有完成的计算上执行这些操作意味这什么，如何去理解它们？
#### Map 操作
Scala 让 “时间旅行” 成为可能！假设想在水加热后就去检查它的温度，可以通过将 `Future[Water]` 映射到 `Future[Boolean]` 来完成这件事情：
~~~
val tempreatureOkay: Future[Boolean] = heatWater(Water(25)) map { water =>
println("we're in the future!")
(80 to 85) contains (water.temperature)
}
~~~
`tempreatureOkay` 最终会包含水温的结果。你可以去改变 `heatWater` 的实现来让它抛出异常（比如说，加热器爆炸了），然后等待 “we're in the future!” 出现在显示屏上，不过你永远等不到。
写传递给 `map` 的函数时，你就处在未来（或者说可能的未来）。一旦 `Future[Water]` 实例成功完成，这个函数就会执行，只不过，该函数所在的时间线可能不是你现在所处的这个。如果 `Future[Water` 失败，传递给 `map` 的函数中的事情永远不会发生，调用 `map` 的结果将是一个失败的 `Future[Boolean]`。
#### FlatMap 操作
如果一个 Future 的计算依赖于另一个 Future 的结果，那需要求救于 `flatMap` 以避免 Future 的嵌套。
假设，测量水温的线程需要一些时间，那你可能想异步的去检查水温是否 OK。比如，有一个函数，接受一个 `Water` ，并返回 `Future[Boolean]` ：
~~~
def temperatureOkay(water: Water): Future[Boolean] = future {
(80 to 85) contains (water.temperature)
｝
~~~
使用 `flatMap`（而不是 `map`）得到一个 `Future[Boolean]`，而不是 `Future[Future[Boolean]]`：
~~~
val nestedFuture: Future[Future[Boolean]] = heatWater(Water(25)) map {
water => temperatureOkay(water)
}
val flatFuture: Future[Boolean] = heatWater(Water(25)) flatMap {
water => temperatureOkay(water)
}
~~~
同样，映射只会发生在 `Future[Water]` 成功完成情况下。
#### for 语句
除了调用 `flatMap` ，也可以写成 for 语句。上面的例子可以重写成：
~~~
val acceptable: Future[Boolean] = for {
heatedWater <- heatWater(Water(25))
okay <- temperatureOkay(heatedWater)
} yield okay
~~~
如果有多个可以并行执行的计算，则需要特别注意，要先在 for 语句外面创建好对应的 Futures。
~~~
def prepareCappuccinoSequentially(): Future[Cappuccino] =
for {
ground <- grind("arabica beans")
water <- heatWater(Water(25))
foam <- frothMilk("milk")
espresso <- brew(ground, water)
} yield combine(espresso, foam)
~~~
这看起来很漂亮，但要知道，for 语句只不过是 `flatMap` 嵌套调用的语法糖。这意味着，只有当 `Future[GroundCoffee]` 成功完成后， `heatWater` 才会创建 `Future[Water]`。你可以查看函数运行时打印出来的东西来验证这个说法。
因此，要确保在 for 语句之前实例化所有相互独立的 Futures：
~~~
def prepareCappuccino(): Future[Cappuccino] = {
val groundCoffee = grind("arabica beans")
val heatedWater = heatWater(Water(20))
val frothedMilk = frothMilk("milk")
for {
ground <- groundCoffee
water <- heatedWater
foam <- frothedMilk
espresso <- brew(ground, water)
} yield combine(espresso, foam)
}
~~~
在 for 语句之前，三个 Future 在创建之后就开始各自独立的运行，显示屏的输出是不确定的。唯一能确定的是 “happy brewing” 总是出现在后面，因为该输出所在的函数 `brew` 是在其他两个函数执行完毕后才开始执行的。也因为此，可以在 for 语句里面直接调用它，当然，前提是前面的 Future 都成功完成。
#### 失败偏向的 Future
你可能会发现 `Future[T]` 是成功偏向的，允许你使用 `map`、`flatMap`、`filter` 等。
但是，有时候可能处理事情出错的情况。调用 `Future[T]` 上的 `failed` 方法，会得到一个失败偏向的 Future，类型是 `Future[Throwable]`。之后就可以映射这个 `Future[Throwable]`，在失败的情况下执行 mapping 函数。
### 总结
你已经见过 Future 了，而且它的前途看起来很光明！因为它是一个可组合、可函数式使用的容器类型，这让我们的工作变得异常舒服。
调用 `future` 方法可以轻易将阻塞执行的代码变成并发执行，但是，代码最好原本就是非阻塞的。为了实现它，我们还需要 `Promise` 来完成 `Future`，这就是下一章的主题。