Java并發 CompletableFuture異步編程的實現

前面我們不止一次提到，用多線程優化性能，其實不過就是將串行操作變成并行操作。如果仔細觀察，你還會發現在串行轉換成并行的過程中，一定會涉及到異步化，例如下面的示例代碼，現在是串行的，為了提升性能，我們得把它們并行化。

// 以下兩個方法都是耗時操作
doBizA();
doBizB();


//創建兩個子線程去執行就可以了，兩個操作已經被異步化了。
new Thread(()->doBizA())
 .start();
new Thread(()->doBizB())
 .start(); 

異步化，是并行方案得以實施的基礎，更深入地講其實就是：利用多線程優化性能這個核心方案得以實施的基礎。Java 在 1.8 版本提供了 CompletableFuture 來支持異步編程。

CompletableFuture 的核心優勢

為了領略 CompletableFuture 異步編程的優勢，這里我們用 CompletableFuture 重新實現前面曾提及的燒水泡茶程序。首先還是需要先完成分工方案，在下面的程序中，我們分了 3 個任務：任務 1 負責洗水壺、燒開水，任務 2 負責洗茶壺、洗茶杯和拿茶葉，任務 3 負責泡茶。其中任務 3 要等待任務 1 和任務 2 都完成后才能開始。這個分工如下圖所示。

燒水泡茶分工方案

// 任務 1：洗水壺 -> 燒開水
CompletableFuture<Void> f1 = 
 CompletableFuture.runAsync(()->{
 System.out.println("T1: 洗水壺...");
 sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

 System.out.println("T1: 燒開水...");
 sleep(15, TimeUnit.SECONDS);
});
// 任務 2：洗茶壺 -> 洗茶杯 -> 拿茶葉
CompletableFuture<String> f2 = 
 CompletableFuture.supplyAsync(()->{
 System.out.println("T2: 洗茶壺...");
 sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

 System.out.println("T2: 洗茶杯...");
 sleep(2, TimeUnit.SECONDS);

 System.out.println("T2: 拿茶葉...");
 sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
 return " 龍井 ";
});
// 任務 3：任務 1 和任務 2 完成后執行：泡茶
CompletableFuture<String> f3 = 
 f1.thenCombine(f2, (__, tf)->{
  System.out.println("T1: 拿到茶葉:" + tf);
  System.out.println("T1: 泡茶...");
  return " 上茶:" + tf;
 });
// 等待任務 3 執行結果
System.out.println(f3.join());

void sleep(int t, TimeUnit u) {
 try {
  u.sleep(t);
 }catch(InterruptedException e){}
}
// 一次執行結果：
T1: 洗水壺...
T2: 洗茶壺...
T1: 燒開水...
T2: 洗茶杯...
T2: 拿茶葉...
T1: 拿到茶葉: 龍井
T1: 泡茶...
上茶: 龍井

從整體上來看，我們會發現

• 無需手工維護線程，沒有繁瑣的手工維護線程的工作，給任務分配線程的工作也不需要我們關注；
• 語義更清晰，例如f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 能夠清晰地表述“任務 3 要等待任務 1 和任務 2 都完成后才能開始”；
• 代碼更簡練并且專注于業務邏輯，幾乎所有代碼都是業務邏輯相關的。

領略 CompletableFuture 異步編程的優勢之后，下面我們詳細介紹 CompletableFuture 的使用。

創建 CompletableFuture 對象

創建 CompletableFuture 對象主要靠下面代碼中展示的這 4 個靜態方法，我們先看前兩個。在燒水泡茶的例子中，我們已經使用了runAsync(Runnable runnable) 和 supplyAsync(Supplier<U> supplier)，它們之間的區別是：Runnable 接口的 run() 方法沒有返回值，而 Supplier 接口的 get() 方法是有返回值的。

前兩個方法和后兩個方法的區別在于：后兩個方法可以指定線程池參數。

默認情況下 CompletableFuture 會使用公共的 ForkJoinPool 線程池，這個線程池默認創建的線程數是 CPU 的核數（也可以通過 JVM option:-Djava.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism 來設置 ForkJoinPool 線程池的線程數）。如果所有 CompletableFuture 共享一個線程池，那么一旦有任務執行一些很慢的 I/O 操作，就會導致線程池中所有線程都阻塞在 I/O 操作上，從而造成線程饑餓，進而影響整個系統的性能。所以，強烈建議你要根據不同的業務類型創建不同的線程池，以避免互相干擾。

// 使用默認線程池
static CompletableFuture<Void> 
 runAsync(Runnable runnable)
static <U> CompletableFuture<U> 
 supplyAsync(Supplier<U> supplier)
// 可以指定線程池 
static CompletableFuture<Void> 
 runAsync(Runnable runnable, Executor executor)
static <U> CompletableFuture<U> 
 supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor) 

創建完 CompletableFuture 對象之后，會自動地異步執行 runnable.run() 方法或者 supplier.get() 方法，對于一個異步操作，你需要關注兩個問題：一個是異步操作什么時候結束，另一個是如何獲取異步操作的執行結果。因為 CompletableFuture 類實現了 Future 接口，所以這兩個問題你都可以通過 Future 接口來解決。另外，CompletableFuture 類還實現了 CompletionStage 接口，這個接口內容實在是太豐富了，在 1.8 版本里有 40 個方法，這些方法我們該如何理解呢？

理解 CompletionStage 接口

可以站在分工的角度類比一下工作流。任務是有時序關系的，比如有串行關系、并行關系、匯聚關系等。這樣說可能有點抽象，這里還舉前面燒水泡茶的例子，其中洗水壺和燒開水就是串行關系，洗水壺、燒開水和洗茶壺、洗茶杯這兩組任務之間就是并行關系，而燒開水、拿茶葉和泡茶就是匯聚關系。

串行關系

并行關系

匯聚關系

CompletionStage 接口可以清晰地描述任務之間的這種時序關系，例如前面提到的
f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 描述的就是一種匯聚關系。燒水泡茶程序中的匯聚關系是一種 AND 聚合關系，這里的 AND 指的是所有依賴的任務（燒開水和拿茶葉）都完成后才開始執行當前任務（泡茶）。既然有 AND 聚合關系，那就一定還有 OR 聚合關系，所謂 OR 指的是依賴的任務只要有一個完成就可以執行當前任務。

最后就是異常，CompletionStage 接口也可以方便地描述異常處理。

下面我們就來一一介紹，CompletionStage 接口如何描述串行關系、AND 聚合關系、OR 聚合關系以及異常處理。

1. 描述串行關系

CompletionStage 接口里面描述串行關系，主要是 thenApply、thenAccept、thenRun 和 thenCompose 這四個系列的接口。

thenApply 系列函數里參數 fn 的類型是接口 Function<T, R>，這個接口里與 CompletionStage 相關的方法是R apply(T t)，這個方法既能接收參數也支持返回值，所以 thenApply 系列方法返回的是CompletionStage<R>。

而 thenAccept 系列方法里參數 consumer 的類型是接口Consumer<T>，這個接口里與 CompletionStage 相關的方法是void accept(T t)，這個方法雖然支持參數，但卻不支持回值，所以 thenAccept 系列方法返回的是CompletionStage<Void>

thenRun 系列方法里 action 的參數是 Runnable，所以 action 既不能接收參數也不支持返回值，所以 thenRun 系列方法返回的也是CompletionStage<Void>

這些方法里面 Async 代表的是異步執行 fn、consumer 或者 action。其中，需要你注意的是 thenCompose 系列方法，這個系列的方法會新創建出一個子流程，最終結果和 thenApply 系列是相同的。

CompletionStage<R> thenApply(fn);
CompletionStage<R> thenApplyAsync(fn);
CompletionStage<Void> thenAccept(consumer);
CompletionStage<Void> thenAcceptAsync(consumer);
CompletionStage<Void> thenRun(action);
CompletionStage<Void> thenRunAsync(action);
CompletionStage<R> thenCompose(fn);
CompletionStage<R> thenComposeAsync(fn);

通過下面的示例代碼，你可以看一下 thenApply() 方法是如何使用的。首先通過 supplyAsync() 啟動一個異步流程，之后是兩個串行操作，整體看起來還是挺簡單的。不過，雖然這是一個異步流程，但任務①②③卻是串行執行的，②依賴①的執行結果，③依賴②的執行結果。

CompletableFuture<String> f0 = 
 CompletableFuture.supplyAsync(
  () -> "Hello World")   //①
 .thenApply(s -> s + " QQ") //②
 .thenApply(String::toUpperCase);//③

System.out.println(f0.join());
// 輸出結果
HELLO WORLD QQ

2. 描述 AND 匯聚關系

CompletionStage 接口里面描述 AND 匯聚關系，主要是 thenCombine、thenAcceptBoth 和 runAfterBoth 系列的接口，這些接口的區別也是源自 fn、consumer、action 這三個核心參數不同。

CompletionStage<R> thenCombine(other, fn);
CompletionStage<R> thenCombineAsync(other, fn);
CompletionStage<Void> thenAcceptBoth(other, consumer);
CompletionStage<Void> thenAcceptBothAsync(other, consumer);
CompletionStage<Void> runAfterBoth(other, action);
CompletionStage<Void> runAfterBothAsync(other, action);

3. 描述 OR 匯聚關系

CompletionStage 接口里面描述 OR 匯聚關系，主要是 applyToEither、acceptEither 和 runAfterEither 系列的接口，這些接口的區別也是源自 fn、consumer、action 這三個核心參數不同。

CompletionStage applyToEither(other, fn);
CompletionStage applyToEitherAsync(other, fn);
CompletionStage acceptEither(other, consumer);
CompletionStage acceptEitherAsync(other, consumer);
CompletionStage runAfterEither(other, action);
CompletionStage runAfterEitherAsync(other, action);

CompletableFuture<String> f1 = 
 CompletableFuture.supplyAsync(()->{
  int t = getRandom(5, 10);
  sleep(t, TimeUnit.SECONDS);
  return String.valueOf(t);
});

CompletableFuture<String> f2 = 
 CompletableFuture.supplyAsync(()->{
  int t = getRandom(5, 10);
  sleep(t, TimeUnit.SECONDS);
  return String.valueOf(t);
});

CompletableFuture<String> f3 = 
 f1.applyToEither(f2,s -> s);

System.out.println(f3.join());

4. 異常處理

雖然上面我們提到的 fn、consumer、action 它們的核心方法都不允許拋出可檢查異常，但是卻無法限制它們拋出運行時異常 ，例如下面的代碼，執行

CompletableFuture<Integer> 
 f0 = CompletableFuture.
  .supplyAsync(()->(7/0))
  .thenApply(r->r*10);
System.out.println(f0.join());

CompletionStage 接口給我們提供的方案非常簡單，比 try{}catch{}還要簡單，下面是相關的方法，使用這些方法進行異常處理和串行操作是一樣的，都支持鏈式編程方式。

CompletionStage exceptionally(fn);
CompletionStage<R> whenComplete(consumer);
CompletionStage<R> whenCompleteAsync(consumer);
CompletionStage<R> handle(fn);
CompletionStage<R> handleAsync(fn);

下面的示例代碼展示了如何使用 exceptionally() 方法來處理異常，exceptionally() 的使用非常類似于 try{}catch{}中的 catch{}，但是由于支持鏈式編程方式，所以相對更簡單。

whenComplete() 和 handle() 系列方法就類似于 try{}finally{}中的 finally{}，無論是否發生異常都會執行 whenComplete() 中的回調函數 consumer 和 handle() 中的回調函數 fn。

whenComplete() 和 handle() 的區別在于 whenComplete() 不支持返回結果，而 handle() 是支持返回結果的。

CompletableFuture<Integer> 
 f0 = CompletableFuture
  .supplyAsync(()->7/0))
  .thenApply(r->r*10)
  .exceptionally(e->0);
System.out.println(f0.join());

總結

不過最近幾年，伴隨著 ReactiveX 的發展（Java 語言的實現版本是 RxJava），回調地獄已經被完美解決了，Java 語言也開始官方支持異步編程：在 1.8 版本提供了 CompletableFuture，在 Java 9 版本則提供了更加完備的 Flow API，異步編程目前已經完全工業化。

CompletableFuture 已經能夠滿足簡單的異步編程需求，如果你對異步編程感興趣，可以重點關注 RxJava 這個項目，利用 RxJava，即便在 Java 1.6 版本也能享受異步編程的樂趣。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持億速云。