CompletableFuture 原理

异步化，是并行方案得以实施的基础，更深入地讲其实就是：利用多线程优化性能这个核心方案得以实施的基础。看到这里，相信你应该就能理解异步编程最近几年为什么会大火了，因为优化性能是互联网大厂的一个核心需求啊。Java 在 1.8 版本提供了 CompletableFuture 来支持异步编程，CompletableFuture 有可能是你见过的最复杂的工具类了，不过功能也着实让人感到震撼。

默认情况下 CompletableFuture 会使用公共的 ForkJoinPool 线程池，这个线程池默认创建的线程数是 CPU 的核数（也可以通过 JVM option:-Djava.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism 来设置 ForkJoinPool 线程池的线程数）。如果所有 CompletableFuture 共享一个线程池，那么一旦有任务执行一些很慢的 I/O 操作，就会导致线程池中所有线程都阻塞在 I/O 操作上，从而造成线程饥饿，进而影响整个系统的性能。所以，强烈建议你要根据不同的业务类型创建不同的线程池，以避免互相干扰。

1
2
3
4

public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable)
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor)
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier)
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

没有指定Executor的方法会使用ForkJoinPool.commonPool() 作为它的线程池执行异步代码。如果指定线程池，则使用指定的线程池运行。以下所有的方法都类同。

  • runAsync方法不支持返回值。
  • supplyAsync可以支持返回值。
1
2
3

public <U> CompletableFuture<U> thenApply(Function<? super T,? extends U> fn)
public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn)
public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn, Executor executor)

当一个线程依赖另一个线程时，可以使用 thenApply 方法来把这两个线程串行化。

Function<? super T,? extends U> T：上一个任务返回结果的类型 U：当前任务的返回值类型

handle 方法 相当于 finally

1
2
3

public <U> CompletionStage<U> handle(BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn);
public <U> CompletionStage<U> handleAsync(BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn);
public <U> CompletionStage<U> handleAsync(BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn,Executor executor);

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27

//无返回值
public static void runAsync() throws Exception {
    CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        System.out.println("run end ...");
    });
    
    future.get();
}

//有返回值
public static void supplyAsync() throws Exception {         
    CompletableFuture<Long> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        System.out.println("run end ...");
        return System.currentTimeMillis();
    });

    long time = future.get();
    System.out.println("time = "+time);
}

2、计算结果完成时的回调方法

当CompletableFuture的计算结果完成，或者抛出异常的时候，可以执行特定的Action。主要是下面的方法：

1
2
3
4

public CompletableFuture<T> whenComplete(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action)
public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action)
public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action, Executor executor)
public CompletableFuture<T> exceptionally(Function<Throwable,? extends T> fn)

4、 handle 方法

handle 是执行任务完成时对结果的处理。 handle 方法和 thenApply 方法处理方式基本一样。不同的是 handle 是在任务完成后再执行，还可以处理异常的任务。thenApply 只可以执行正常的任务，任务出现异常则不执行 thenApply 方法。

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22

public static void handle() throws Exception{
    CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {

        @Override
        public Integer get() {
            int i= 10/0;
            return new Random().nextInt(10);
        }
    }).handle(new BiFunction<Integer, Throwable, Integer>() {
        @Override
        public Integer apply(Integer param, Throwable throwable) {
            int result = -1;
            if(throwable==null){
                result = param * 2;
            }else{
                System.out.println(throwable.getMessage());
            }
            return result;
        }
     });
    System.out.println(future.get());
}

7、thenCombine 合并任务

thenCombine 会把 两个 CompletionStage 的任务都执行完成后，把两个任务的结果一块交给 thenCombine 来处理。

1
2
3

public <U,V> CompletionStage<V> thenCombine(CompletionStage<? extends U> other,BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn);
public <U,V> CompletionStage<V> thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other,BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn);
public <U,V> CompletionStage<V> thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other,BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn,Executor executor);

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

private static void thenCombine() throws Exception {
    CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<String>() {
        @Override
        public String get() {
            return "hello";
        }
    });
    CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<String>() {
        @Override
        public String get() {
            return "hello";
        }
    });
    CompletableFuture<String> result = future1.thenCombine(future2, new BiFunction<String, String, String>() {
        @Override
        public String apply(String t, String u) {
            return t+" "+u;
        }
    });
    System.out.println(result.get());
}

13、thenCompose 方法

thenCompose 方法允许你对两个 CompletionStage 进行流水线操作，第一个操作完成时，将其结果作为参数传递给第二个操作。

1
2
3

public <U> CompletableFuture<U> thenCompose(Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn);
public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn) ;
public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn, Executor executor) ;

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

private static void thenCompose() throws Exception {
        CompletableFuture<Integer> f = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
            @Override
            public Integer get() {
                int t = new Random().nextInt(3);
                System.out.println("t1="+t);
                return t;
            }
        }).thenCompose(new Function<Integer, CompletionStage<Integer>>() {
            @Override
            public CompletionStage<Integer> apply(Integer param) {
                return CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
                    @Override
                    public Integer get() {
                        int t = param *2;
                        System.out.println("t2="+t);
                        return t;
                    }
                });
            }
            
        });
        System.out.println("thenCompose result : "+f.get());
    }

回调地狱

总结

曾经一提到异步编程，大家脑海里都会随之浮现回调函数，例如在 JavaScript 里面异步问题基本上都是靠回调函数来解决的，回调函数在处理异常以及复杂的异步任务关系时往往力不从心，对此业界还发明了个名词：回调地狱（Callback Hell）。应该说在前些年，异步编程还是声名狼藉的。

不过最近几年，伴随着 ReactiveX 的发展（Java 语言的实现版本是 RxJava），回调地狱已经被完美解决了，异步编程已经慢慢开始成熟，Java 语言也开始官方支持异步编程：在 1.8 版本提供了 CompletableFuture，在 Java 9 版本则提供了更加完备的 Flow API，异步编程目前已经完全工业化。因此，学好异步编程还是很有必要的。

CompletableFuture 已经能够满足简单的异步编程需求，如果你对异步编程感兴趣，可以重点关注 RxJava 这个项目，利用 RxJava，即便在 Java 1.6 版本也能享受异步编程的乐趣。