Java并发基础：CompletableFuture全面解析 - 程序员古德

内容概要

CompletableFuture类使得并发任务的处理变得简单而高效，通过简洁的API，开发者能轻松创建、组合和链式调用异步操作，无需关心底层线程管理，这不仅提升了程序的响应速度，还优化了资源利用率，让复杂的并发逻辑变得易于掌控。

核心概念

CompletableFuture 是一个非常强大的并发工具类，它实现了 Future 和 CompletionStage 接口，用于表示某个异步计算的结果，与传统的 Future 不同，CompletableFuture 提供了函数式编程的方法，可以更容易地组织异步代码，处理回调和组合多个异步操作。

假设，有一个电商网站，用户浏览产品详情页时，需要展示产品的基本信息、价格、库存、用户评价等多个方面的数据，这些数据可能来自不同的数据源或服务，比如：

产品基本信息可能来自一个主数据库。
价格和库存可能需要实时从另一个库存服务获取。
用户评价可能存储在另一个专门用于用户反馈的系统中。

为了提升用户体验，希望这些数据的获取能够并行进行，而不是一个接一个地串行获取，这就是 CompletableFuture 的经典场景。

CompletableFuture 类在主要用来解决异步编程和并发执行的问题，在传统的同步编程模型中，代码的执行通常是阻塞的，即一行代码执行完成后，下一行代码才能开始执行，这种模型在处理耗时操作时，如 I/O 操作、数据库访问或网络请求，会导致线程长时间闲置，等待操作完成，从而降低系统的吞吐量和响应能力。

因此，CompletableFuture 类提供了一种非阻塞的、基于回调的编程方式，可以在等待某个长时间运行的任务完成时，同时执行其他任务，这样，就可以更充分地利用系统资源，提高程序的并发性和响应速度。

使用CompletableFuture通常用于解决以下类似场景的问题：

发起异步请求：当用户请求一个产品详情页时，后端服务可以同时发起对三个数据源的异步请求，这可以通过创建三个 CompletableFuture 实例来实现，每个实例负责一个数据源的请求。
处理异步结果：一旦这些异步请求发出，它们就可以独立地执行，主线程可以继续处理其他任务，当某个 CompletableFuture 完成时，它会包含一个结果（或者是执行过程中的异常）。
组合异步结果：使用 CompletableFuture 的组合方法（如 thenCombine、thenAcceptBoth 或 allOf），可以等待所有异步操作完成，并将它们的结果组合在一起，比如，可以等待产品基本信息、价格和库存以及用户评价都返回后，再将这些数据整合到一个响应对象中，返回给前端。
异常处理：如果在获取某个数据源时发生异常，CompletableFuture 允许以异步的方式处理这些异常，比如通过 exceptionally 方法提供一个默认的备选结果或执行一些清理操作。
最终响应：一旦所有数据源的数据都成功获取并组合在一起，或者某个数据源发生异常并得到了妥善处理，服务就可以将最终的产品详情页响应发送给前端用户。

使用CompletableFuture 可以高效的并发数据获取，提升系统的响应速度和整体性能。

代码案例

当然，以下是一个简单的Java代码示例，演示了如何使用CompletableFuture类来异步执行任务，并在任务完成后获取结果，这个示例模拟了一个client调用，异步地获取两个不同数据源的数据，并在它们都完成后组合这两个结果，如下代码案例：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;  
import java.util.concurrent.ExecutionException;  

public class CompletableFutureDemo {
   
     

    // 模拟从某个数据源获取数据的耗时操作  
    private static String fetchDataFromSourceA() {
   
     
        simulateSlowService();  
        return "Data from Source A";  
    }  

    // 模拟从另一个数据源获取数据的耗时操作  
    private static String fetchDataFromSourceB() {
   
     
        simulateSlowService();  
        return "Data from Source B";  
    }  

    // 模拟耗时操作的方法（例如网络延迟）  
    private static void simulateSlowService() {
   
     
        try {
   
     
            Thread.sleep(2000); // 模拟耗时2秒  
        } catch (InterruptedException e) {
   
     
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  

    // 客户端调用示例  
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
   
     
        // 创建两个异步任务  
        CompletableFuture<String> futureA = CompletableFuture.supplyAsync(CompletableFutureDemo::fetchDataFromSourceA);  
        CompletableFuture<String> futureB = CompletableFuture.supplyAsync(CompletableFutureDemo::fetchDataFromSourceB);  

        // 当两个任务都完成时，组合它们的结果  
        CompletableFuture<String> combinedFuture = futureA.thenCombine(futureB, (resultA, resultB) -> {
   
     
            return resultA + " and " + resultB;  
        });  

        // 等待组合任务完成并获取结果  
        String combinedResult = combinedFuture.get();  

        // 输出结果  
        System.out.println("Combined result: " + combinedResult);  
    }  
}

在上面代码中：

fetchDataFromSourceA 和 fetchDataFromSourceB 方法模拟了从两个不同的数据源获取数据的耗时操作，simulateSlowService 方法通过让当前线程休眠2秒来模拟一个耗时操作，在 main 方法中，使用 CompletableFuture.supplyAsync 方法创建了两个异步任务，分别对应两个数据源的数据获取，使用 thenCombine 方法将这两个异步任务的结果组合在一起，当两个任务都完成时，会调用提供的 lambda 表达式来合并结果，combinedFuture.get() 方法会阻塞当前线程，直到组合任务完成并返回结果。

核心API

CompletableFuture 列用于表示某个异步计算的结果，它提供了函数式编程的方法来处理异步计算，允许以非阻塞的方式编写并发代码，并且可以链接多个异步操作，以下是一些常用方法的含义：

1、静态工厂方法

CompletableFuture.supplyAsync(Supplier<? extends U> supplier): 异步执行给定的 Supplier，并返回一个表示结果的新 CompletableFuture。
CompletableFuture.supplyAsync(Supplier<? extends U> supplier, Executor executor): 使用指定的执行器异步执行给定的 Supplier。
CompletableFuture.runAsync(Runnable runnable): 异步执行给定的 Runnable，并返回一个表示其完成的新 CompletableFuture。
CompletableFuture.runAsync(Runnable runnable, Executor executor): 使用指定的执行器异步执行给定的 Runnable。

2、完成时的处理

thenApply(Function<? super T,? extends U> fn): 当此 CompletableFuture 完成时，对其结果应用给定的函数。
thenAccept(Consumer<? super T> action): 当此 CompletableFuture 完成时，执行给定的操作。
thenRun(Runnable action): 当此 CompletableFuture 完成时，执行给定的无参数操作。

3、异常处理

exceptionally(Function<Throwable,? extends T> fn): 当此 CompletableFuture 异常完成时，对其异常应用给定的函数。

4、组合多个 CompletableFuture

thenCombine(CompletableFuture<? extends U> other, BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn): 当此 CompletableFuture 和另一个都完成时，使用给定的函数组合它们的结果。
thenAcceptBoth(CompletableFuture<? extends U> other, BiConsumer<? super T,? super U> action): 当此 CompletableFuture 和另一个都完成时，对它们的结果执行给定的操作。
runAfterBoth(CompletableFuture<?> other, Runnable action): 当此 CompletableFuture 和另一个都完成时，执行给定的操作。
applyToEither(CompletableFuture<? extends T> other, Function<? super T, U> fn): 当此 CompletableFuture 或另一个完成时（哪个先完成），对其结果应用给定的函数。
acceptEither(CompletableFuture<? extends T> other, Consumer<? super T> action): 当此 CompletableFuture 或另一个完成时（哪个先完成），对其结果执行给定的操作。
runAfterEither(CompletableFuture<?> other, Runnable action): 当此 CompletableFuture 或另一个完成时（哪个先完成），执行给定的操作。

5、等待和获取结果

get(): 等待计算完成，然后获取其结果。
get(long timeout, TimeUnit unit): 等待计算在给定的时间内完成，并获取其结果。
join(): 类似于 get()，但是会在计算未完成时抛出未检查的异常。
complete(T value): 如果尚未完成，则设置此 CompletableFuture 的结果。
completeExceptionally(Throwable ex): 如果尚未完成，则使此 CompletableFuture 异常完成。

6、取消

cancel(boolean mayInterruptIfRunning): 尝试取消此 CompletableFuture。
isCancelled(): 如果此 CompletableFuture 被取消，则返回 true。

7、查询

isDone(): 如果此 CompletableFuture 完成（无论是正常完成还是异常完成），则返回 true。

核心总结

Java并发基础：CompletableFuture全面解析 - 程序员古德

CompletableFuture类为异步编程提供了强大的支持，使得并发处理变得更加直观和高效，它能够轻松创建、组合和管理异步任务，提升程序的响应性和吞吐量，但是如果遇到错误处理相对复杂，可能需要额外的代码来确保异常被正确处理。对于复杂的异步逻辑，可以尝试将其拆分成小的、易于管理的部分，每个部分使用CompletableFuture来处理，同时，要注意异常处理和资源管理，避免潜在的内存泄漏和程序崩溃。

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