并发编程系列-CompletableFuture

利用多线程来提升性能，实质上是将顺序执行的操作转化为并行执行。仔细观察后，你还会发现在顺序转并行的过程中，一定会牵扯到异步化。举个例子，现在下面这段示例代码是按顺序执行的，为了优化性能，我们需要将其改为并行执行。那具体的实施方法是什么呢？

//以下两个方法都是耗时操作
doBizA();
doBizB();

确实，实现并行化的方法很简单，就像下面的代码一样，我们创建两个子线程来执行这些操作。你会发现在下面的并行方案中，主线程无需等待doBizA()和doBizB()的执行结果，也就是说doBizA()和doBizB()这两个操作已经被异步化了。

new Thread(()->doBizA())
  .start();
new Thread(()->doBizB())
  .start();

异步化是实施并行方案的基础，更具体地说，它是实现利用多线程优化性能这一核心方案的基础。明白这一点后，你可能会理解为什么异步编程最近几年变得如此流行了，因为优化性能是互联网大厂的核心需求之一。Java在1.8版本引入了CompletableFuture来支持异步编程，这可能是你见过的最复杂的工具类了，但它的功能确实令人惊叹。

CompletableFuture的核心优势

为了体验CompletableFuture异步编程的优势，我们将使用CompletableFuture来实现一个烧水泡茶的程序。首先，我们需要制定分工方案。在下面的程序中，我们将任务分为三个部分：任务1负责洗水壶和烧开水，任务2负责洗茶壶、茶杯和取茶叶，任务3负责泡茶。任务3必须等待任务1和任务2都完成之后才能开始。下图展示了这个分工方案。

烧水泡茶分工方案

下面是代码实现，你先略过runAsync()、supplyAsync()、thenCombine()这些不太熟悉的方法，从整体来看，你会发现：

1. 无需手动维护线程，没有繁琐的手动线程管理工作，任务的线程分配也无需关注；
2. 语义更明确，例如 f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 能够明确表达“任务3必须等待任务1和任务2都完成之后才能开始”；
3. 代码更简洁且专注于业务逻辑，几乎所有的代码都是与业务逻辑相关的。

//任务1：洗水壶->烧开水
CompletableFuture<Void> f1 =
  CompletableFuture.runAsync(()->{
  System.out.println("T1:洗水壶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

  System.out.println("T1:烧开水...");
  sleep(15, TimeUnit.SECONDS);
});
//任务2：洗茶壶->洗茶杯->拿茶叶
CompletableFuture<String> f2 =
  CompletableFuture.supplyAsync(()->{
  System.out.println("T2:洗茶壶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

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

  System.out.println("T2:拿茶叶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
  return "龙井";
});
//任务3：任务1和任务2完成后执行：泡茶
CompletableFuture<String> f3 =
  f1.thenCombine(f2, (__, tf)->{
    System.out.println("T1:拿到茶叶:" + tf);
    System.out.println("T1:泡茶...");
    return "上茶:" + tf;
  });
//等待任务3执行结果
System.out.println(f3.join());

void sleep(int t, TimeUnit u) {
  try {
    u.sleep(t);
  }catch(InterruptedException e){}
}
// 一次执行结果：
T1:洗水壶...
T2:洗茶壶...
T1:烧开水...
T2:洗茶杯...
T2:拿茶叶...
T1:拿到茶叶:龙井
T1:泡茶...
上茶:龙井

领略CompletableFuture异步编程的优势之后，下面我们详细介绍CompletableFuture的使用，首先是如何创建CompletableFuture对象。

创建CompletableFuture对象

创建CompletableFuture对象主要依靠下列四个静态方法，我们首先来看前两个。在烧水泡茶的例子中，我们已经使用了 runAsync(Runnable runnable) 和 supplyAsync(Supplier<U> supplier)，它们之间的区别是：Runnable 接口的run()方法没有返回值，而Supplier接口的get()方法有返回值。

前两个方法和后两个方法的区别在于：后两个方法可以指定线程池参数。

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的核心数（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耗时的I/O操作，就会导致线程池中的所有线程都被阻塞在I/O操作上，从而引发线程饥饿问题，进而影响整个系统的性能。因此，强烈建议你根据不同的业务类型创建不同的线程池，以避免彼此之间的干扰。

//使用默认线程池
static CompletableFuture<Void>
  runAsync(Runnable runnable)
static <U> CompletableFuture<U>
  supplyAsync(Supplier<U> supplier)
//可以指定线程池
static CompletableFuture<Void>
  runAsync(Runnable runnable, Executor executor)
static <U> CompletableFuture<U>
  supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

创建完CompletableFuture对象之后，会自动地以异步方式执行runnable.run()方法或者supplier.get()方法。对于一个异步操作，你需要关注两个问题：一个是异步操作何时完成，另一个是如何获取异步操作的执行结果。因为CompletableFuture类实现了Future接口，所以这两个问题都可以通过Future接口来解决。此外，CompletableFuture类还实现了CompletionStage接口，该接口包含了丰富的方法，仅在1.8版本中就有40个。对于这些方法，我们该如何理解呢？

如何理解CompletionStage接口

你可以从责任分工的角度来类比工作流程。任务之间存在时序关系，包括串行关系、并行关系和汇聚关系等。这样说可能有些抽象，为了更好地理解，我举一个前面烧水泡茶的例子。其中洗水壶和烧开水之间是串行关系，洗水壶、烧开水以及洗茶壶、洗茶杯这两组任务之间是并行关系，而烧开水、拿茶叶和泡茶则是汇聚关系。

串行关系

并行关系

汇聚关系

CompletionStage接口可以清晰地描述任务之间的这种时序关系，例如前面提到的 f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 描述的就是一种汇聚关系。烧水泡茶程序中的汇聚关系是一种 AND 聚合关系，这里的AND指的是所有依赖的任务（烧开水和拿茶叶）都完成后才开始执行当前任务（泡茶）。既然有AND聚合关系，那就一定还有OR聚合关系，所谓OR指的是依赖的任务只要有一个完成就可以执行当前任务。

在编程领域，还有一个绕不过去的山头，那就是异常处理，CompletionStage接口也可以方便地描述异常处理。

下面我们就来一一介绍，CompletionStage接口如何描述串行关系、AND聚合关系、OR聚合关系以及异常处理。

1. 描述串行关系

CompletionStage接口里面描述串行关系，主要是thenApply、thenAccept、thenRun和thenCompose这四个系列的接口。

thenApply系列函数里参数fn的类型是接口Function<T, R>，这个接口里与CompletionStage相关的方法是 R apply(T t)，这个方法既能接收参数也支持返回值，所以thenApply系列方法返回的是 CompletionStage<R>。

而thenAccept系列方法里参数consumer的类型是接口 Consumer<T>，这个接口里与CompletionStage相关的方法是 void accept(T t)，这个方法虽然支持参数，但却不支持回值，所以thenAccept系列方法返回的是 CompletionStage<Void>。

thenRun系列方法里action的参数是Runnable，所以action既不能接收参数也不支持返回值，所以thenRun系列方法返回的也是 CompletionStage<Void>。

这些方法里面Async代表的是异步执行fn、consumer或者action。其中，需要你注意的是thenCompose系列方法，这个系列的方法会新创建出一个子流程，最终结果和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);

通过下面的示例代码，你可以看一下thenApply()方法是如何使用的。首先通过supplyAsync()启动一个异步流程，之后是两个串行操作，整体看起来还是挺简单的。不过，虽然这是一个异步流程，但任务①②③却是串行执行的，②依赖①的执行结果，③依赖②的执行结果。

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

System.out.println(f0.join());
//输出结果
HELLO WORLD QQ

2. 描述AND汇聚关系

CompletionStage接口里面描述AND汇聚关系，主要是thenCombine、thenAcceptBoth和runAfterBoth系列的接口，这些接口的区别也是源自fn、consumer、action这三个核心参数不同。它们的使用你可以参考上面烧水泡茶的实现程序，这里就不赘述了。

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汇聚关系

CompletionStage接口里面描述OR汇聚关系，主要是applyToEither、acceptEither和runAfterEither系列的接口，这些接口的区别也是源自fn、consumer、action这三个核心参数不同。

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

下面的示例代码展示了如何使用applyToEither()方法来描述一个OR汇聚关系。

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. 异常处理

虽然上面我们提到的fn、consumer、action它们的核心方法都 不允许抛出可检查异常，但是却无法限制它们抛出运行时异常，例如下面的代码，执行 7/0 就会出现除零错误这个运行时异常。非异步编程里面，我们可以使用try{}catch{}来捕获并处理异常，那在异步编程里面，异常该如何处理呢？

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

CompletionStage接口给我们提供的方案非常简单，比try{}catch{}还要简单，下面是相关的方法，使用这些方法进行异常处理和串行操作是一样的，都支持链式编程方式。

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

下面的示例代码展示了如何使用exceptionally()方法来处理异常，exceptionally()的使用非常类似于try{}catch{}中的catch{}，但是由于支持链式编程方式，所以相对更简单。既然存在try{}catch{}，那么必然还有try{}finally{}，whenComplete()和handle()系列方法就类似于try{}finally{}中的finally{}，无论是否发生异常都会执行whenComplete()中的回调函数consumer和handle()中的回调函数fn。whenComplete()和handle()的差异在于whenComplete()不支持返回结果，而handle()则支持返回结果的。

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

总结

曾经一提到异步编程，人们常会联想到回调函数，在JavaScript中，几乎所有的异步问题都依赖于回调函数来解决。然而，当处理异常和复杂的异步任务关系时，回调函数往往显得力不从心，这也导致了「回调地狱」（Callback Hell）的出现。在过去的几年里，异步编程备受诟病。

为了更好地支持异步编程，Java语言在1.8版本引入了CompletableFuture，并在Java 9版本中提供了更加完善的Flow API。

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