Java8 CompletableFuture异步编程-进阶篇-阿里云开发者社区

前言

我们在前面文章讲解了CompletableFuture这个异步编程类的基本用法，这节我们继续学习CompletableFuture相关的进阶知识，上文入口：Java8 CompletableFuture异步编程-入门篇

1、异步任务的交互

异步任务交互指将异步任务获取结果的速度相比较，按一定的规则( 先到先用 )进行下一步处理。

1.1 applyToEither

applyToEither() 把两个异步任务做比较，异步任务先到结果的，就对先到的结果进行下一步的操作。

CompletableFuture<R> applyToEither(CompletableFuture<T> other, Function<T,R> func)

演示案例：使用最先完成的异步任务的结果

public class ApplyToEitherDemo {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 开启异步任务1
        CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            int x = new Random().nextInt(3);
            CommonUtils.sleepSecond(x);
            CommonUtils.printThreadLog("任务1耗时:" + x + "秒");
            return x;
        });

        // 开启异步任务2
        CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            int y = new Random().nextInt(3);
            CommonUtils.sleepSecond(y);
            CommonUtils.printThreadLog("任务2耗时:" + y + "秒");
            return y;
        });

        // 哪些异步任务的结果先到达，就使用哪个异步任务的结果
        CompletableFuture<Integer> future = future1.applyToEither(future2, (result -> {
            CommonUtils.printThreadLog("最先到达的结果:" + result);
            return result;
        }));

        // 主线程休眠4秒，等待所有异步任务完成
        CommonUtils.sleepSecond(4);
        Integer ret = future.get();
        CommonUtils.printThreadLog("ret = " + ret);
    }
}

速记心法：任务1、任务2就像两辆公交，哪路公交先到，就乘坐(使用)哪路公交。

以下是applyToEither 和其对应的异步回调版本

CompletableFuture<R> applyToEither(CompletableFuture<T> other, Function<T,R> func)
CompletableFuture<R> applyToEitherAsync(CompletableFuture<T> other, Function<T,R> func)
CompletableFuture<R> applyToEitherAsync(CompletableFuture<T> other, Function<T,R> func,Executor executor)

1.2 acceptEither

acceptEither() 把两个异步任务做比较，异步任务先到结果的，就对先到的结果进行下一步操作 ( 消费使用 )。

CompletableFuture<Void> acceptEither(CompletableFuture<T> other, Consumer<T> action)
CompletableFuture<Void> acceptEitherAsync(CompletableFuture<T> other, Consumer<T> action)  
CompletableFuture<Void> acceptEitherAsync(CompletableFuture<T> other, Consumer<T> action,Executor executor)

演示案例：使用最先完成的异步任务的结果

public class AcceptEitherDemo {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 异步任务交互
        CommonUtils.printThreadLog("main start");
        // 开启异步任务1
        CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            int x = new Random().nextInt(3);
            CommonUtils.sleepSecond(x);
            CommonUtils.printThreadLog("任务1耗时:" + x + "秒");
            return x;
        });

        // 开启异步任务2
        CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            int y = new Random().nextInt(3);
            CommonUtils.sleepSecond(y);
            CommonUtils.printThreadLog("任务2耗时:" + y + "秒");
            return y;
        });

        // 哪些异步任务的结果先到达，就使用哪个异步任务的结果
        future1.acceptEither(future2,result -> {
            CommonUtils.printThreadLog("最先到达的结果:" + result);
        });

        // 主线程休眠4秒，等待所有异步任务完成
        CommonUtils.sleepSecond(4);
        CommonUtils.printThreadLog("main end");
    }
}

1.3 runAfterEither

如果不关心最先到达的结果，只想在有一个异步任务先完成时得到完成的通知，可以使用 runAfterEither() ，以下是它的相关方法：

CompletableFuture<Void> runAfterEither(CompletableFuture<T> other, Runnable action)
CompletableFuture<Void> runAfterEitherAsync(CompletableFuture<T> other, Runnable action)
CompletableFuture<Void> runAfterEitherAsync(CompletableFuture<T> other, Runnable action, Executor executor)

提示

异步任务交互的三个方法和之前学习的异步的回调方法 thenApply、thenAccept、thenRun 有异曲同工之妙。

2、get() 和 join() 区别

get() 和 join() 都是CompletableFuture提供的以阻塞方式获取结果的方法。

那么该如何选用呢？请看如下案例：

public class GetOrJoinDemo {
    public static void main(String[] args) {
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return "hello";
        });

        String ret = null;
        // 抛出检查时异常，必须处理
        try {
            ret = future.get();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("ret = " + ret);

        // 抛出运行时异常，可以不处理
        ret = future.join();
        System.out.println("ret = " + ret);
    }
}

使用时，我们发现，get() 抛出检查时异常，需要程序必须处理；而join() 方法抛出运行时异常，程序可以不处理。所以，join() 更适合用在流式编程中。

3、ParallelStream VS CompletableFuture

CompletableFuture 虽然提高了任务并行处理的能力，如果它和 Stream API 结合使用，能否进一步多个任务的并行处理能力呢？

同时，对于 Stream API 本身就提供了并行流ParallelStream，它们有什么不同呢？

我们将通过一个耗时的任务来体现它们的不同，更重要地是，我们能进一步加强 CompletableFuture 和 Stream API 的结合使用，同时搞清楚CompletableFuture 在流式操作的优势

需求：创建10个MyTask耗时的任务，统计它们执行完的总耗时定义一个MyTask类，来模拟耗时的长任务

public class MyTask {
    private int duration;

    public MyTask(int duration) {
        this.duration = duration;
    }

    // 模拟耗时的长任务
    public int doWork() {
        CommonUtils.printThreadLog("doWork");
        CommonUtils.sleepSecond(duration);
        return duration;
    }
}

同时，我们创建10个任务，每个持续1秒。

IntStream intStream = IntStream.range(0, 10);
List<MyTask> tasks = intStream.mapToObj(item -> {
    return new MyTask(1);
}).collect(Collectors.toList());

3.1 并行流的局限

我们先使用串行执行，让所有的任务都在主线程 main 中执行。

public class SequenceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 方案一：在主线程中使用串行执行
        // step 1: 创建10个MyTask对象,每个任务持续1s,存入list集合便于启动Stream操作
        IntStream intStream = IntStream.range(0, 10);
        List<MyTask> tasks = intStream.mapToObj(item -> {
            return new MyTask(1);
        }).collect(Collectors.toList());
 
        // step 2: 执行tasks集合中的每个任务，统计总耗时
        long start = System.currentTimeMillis();
        List<Integer> result = tasks.stream().map(myTask -> {
            return myTask.doWork();
        }).collect(Collectors.toList());
        long end = System.currentTimeMillis();
        double costTime = (end - start) / 1000.0;
 
        System.out.printf("processed %d tasks cost %.2f second",tasks.size(),costTime);
    }
}

它花费了10秒, 因为每个任务在主线程一个接一个的执行。

因为涉及 Stream API，而且存在耗时的长任务，所以，我们可以使用 parallelStream()

public class ParallelDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 方案二：使用并行流
        // step 1: 创建10个MyTask对象，每个任务持续1s，存入List集合
        IntStream intStream = IntStream.range(0, 10);
        List<MyTask> tasks = intStream.mapToObj(item -> {
            return new MyTask(1);
        }).collect(Collectors.toList());
 
        // step 2: 执行10个MyTask,统计总耗时
        long start = System.currentTimeMillis();
        List<Integer> results = tasks.parallelStream().map(myTask -> {
            return myTask.doWork();
        }).collect(Collectors.toList());
        long end = System.currentTimeMillis();
 
        double costTime = (end - start) / 1000.0;
        System.out.printf("processed %d tasks %.2f second",tasks.size(),costTime);
    }
}

它花费了2秒多，因为此次并行执行使用了8个线程 (7个是ForkJoinPool线程池中的, 一个是 main 线程)，需要注意是：运行结果由自己电脑CPU的核数决定。

3.2 CompletableFuture 在流式操作的优势

让我们看看使用CompletableFuture是否执行的更有效率

public class CompletableFutureDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 需求：创建10MyTask耗时的任务，统计它们执行完的总耗时
        // 方案三：使用CompletableFuture
        // step 1: 创建10个MyTask对象，每个任务持续1s，存入List集合
        IntStream intStream = IntStream.range(0, 10);
        List<MyTask> tasks = intStream.mapToObj(item -> {
            return new MyTask(1);
        }).collect(Collectors.toList());
 
        // step 2: 根据MyTask对象构建10个耗时的异步任务
        long start = System.currentTimeMillis();
        List<CompletableFuture<Integer>> futures = tasks.stream().map(myTask -> {
            return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                return myTask.doWork();
            });
        }).collect(Collectors.toList());
 
        // step 3: 当所有任务完成时，获取每个异步任务的执行结果，存入List集合中
        List<Integer> results = futures.stream().map(future -> {
            return future.join();
        }).collect(Collectors.toList());
        long end = System.currentTimeMillis();
 
        double costTime = (end - start) / 1000.0;
        System.out.printf("processed %d tasks cost %.2f second",tasks.size(),costTime);
    }
}

运行发现，两者使用的时间大致一样。能否进一步优化呢？

CompletableFutures 比 ParallelStream 优点之一是你可以指定Executor去处理任务。你能选择更合适数量的线程。我们可以选择大于Runtime.getRuntime().availableProcessors() 数量的线程，如下所示：

public class CompletableFutureDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 需求：创建10MyTask耗时的任务，统计它们执行完的总耗时
        // 方案三：使用CompletableFuture
        // step 1: 创建10个MyTask对象，每个任务持续1s，存入List集合
        IntStream intStream = IntStream.range(0, 10);
        List<MyTask> tasks = intStream.mapToObj(item -> {
            return new MyTask(1);
        }).collect(Collectors.toList());
 
        // 准备线程池
        final int N_CPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
        // 设置线程池的数量最少是10个，最大是16个
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(Math.min(tasks.size(), N_CPU * 2));
 
        // step 2: 根据MyTask对象构建10个耗时的异步任务
        long start = System.currentTimeMillis();
        List<CompletableFuture<Integer>> futures = tasks.stream().map(myTask -> {
            return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                return myTask.doWork();
            },executor);
        }).collect(Collectors.toList());
 
        // step 3: 当所有任务完成时，获取每个异步任务的执行结果，存入List集合中
        List<Integer> results = futures.stream().map(future -> {
            return future.join();
        }).collect(Collectors.toList());
        long end = System.currentTimeMillis();
 
        double costTime = (end - start) / 1000.0;
        System.out.printf("processed %d tasks cost %.2f second",tasks.size(),costTime);
        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

测试代码时，电脑配置是4核8线程，而我们创建的线程池中线程数最少也是10个，所以，每个线程负责一个任务( 耗时1s )，总体来说，处理10个任务总共需要约1秒。

3.3 合理配置线程池中的线程数

正如我们看到的，CompletableFuture 可以更好地控制线程池中线程的数量，而 ParallelStream 不能。

问题1：如何选用 CompletableFuture 和 ParallelStream ？

如果你的任务是IO密集型的，你应该使用CompletableFuture；

如果你的任务是CPU密集型的，使用比处理器更多的线程是没有意义的，所以选择ParallelStream ，因为它不需要创建线程池，更容易使用。

问题2：IO密集型任务和CPU密集型任务的区别？

CPU密集型也叫计算密集型，此时，系统运行时大部分的状况是CPU占用率近乎100%，I/O在很短的时间就可以完成，而CPU还有许多运算要处理，CPU 使用率很高。比如说要计算1+2+3+…+ 10万亿、天文计算、圆周率后几十位等，都是属于CPU密集型程序。

CPU密集型任务的特点：大量计算，CPU占用率一般都很高，I/O时间很短

IO密集型指大部分的状况是CPU在等I/O (硬盘/内存) 的读写操作，但CPU的使用率不高。

简单的说，就是需要大量的输入输出，例如读写文件、传输文件、网络请求。

IO密集型任务的特点：大量网络请求，文件操作，CPU运算少，很多时候CPU在等待资源才能进一步操作。

问题3：既然要控制线程池中线程的数量，多少合适呢？

如果是CPU密集型任务，就需要尽量压榨CPU，参考值可以设为 Ncpu+1

如果是IO密集型任务，参考值可以设置为 2 * Ncpu，其中Ncpu 表示核心数。

总结

通过这两篇文章的讲解，我们基本学习了CompletableFuture这个异步编程类的基础用法和相关进阶玩法，不过总体上还是偏理论，我后续可以可能会开一篇新的专栏，专门讲解和分享Java高并发相关的代码片段，都是比较实用，请多多支持吧~

Java8 CompletableFuture异步编程-进阶篇

前言

1、异步任务的交互

1.1 applyToEither

1.2 acceptEither

1.3 runAfterEither

2、get() 和 join() 区别

3、ParallelStream VS CompletableFuture

3.1 并行流的局限

3.2 CompletableFuture 在流式操作的优势

3.3 合理配置线程池中的线程数

总结

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