Java8 CompletableFuture：异步编程的瑞士军刀

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引言

CompletableFuture是Java 8的一个类，它简化了异步编程的复杂性，允许通过链式调用组合多个异步操作。在并发处理、网络IO和长时间计算任务中，它提高了应用的响应速度和性能，并提供了方便的异常处理机制。掌握CompletableFuture对Java开发者来说非常有价值，能够提升编程能力和项目性能。

一、基础概览

CompletableFuture为Java开发者提供了一种强大而灵活的工具，用于处理异步操作和并发编程

2.1.CompletableFuture的功能

• 执行任务：CompletableFuture提供了runAsync()、supplyAsync()和thenRun()等方法用于执行任务。这些方法可以接受Runnable和Supplier接口的实例，用于定义任务的逻辑。其中，runAsync()方法用于执行没有返回值的任务，而supplyAsync()方法用于执行有返回值的任务。
• 结果处理：一旦任务完成，可以使用thenApply()、thenAccept()等方法对结果进行进一步处理。例如，thenApply()方法可以对任务的结果进行转换，并返回一个新的CompletableFuture。
• 异常处理：使用exceptionally()方法，可以捕获并处理异步任务执行过程中出现的异常。
• 组合操作：CompletableFuture还提供了allOf()和anyOf()等方法，用于组合多个异步任务。allOf()方法等待所有任务完成，而anyOf()方法则等待任何一个任务完成。

2.2. CompletableFuture的特点

• 异步执行：CompletableFuture支持异步执行，可以通过supplyAsync()或runAsync()方法提交任务到线程池中进行异步处理。这可以避免阻塞主线程，提高程序的响应性和吞吐量。
• 链式操作：通过thenApply()、thenAccept()、thenRun()等方法，可以将多个CompletableFuture串联起来形成一个操作链。这样，每个任务可以在前一个任务完成后自动执行下一个任务，从而实现流程的自动化。
• 组合操作：CompletableFuture提供了多种组合操作，如allOf()和anyOf()，用于处理多个CompletableFuture实例的结果。这使得开发者能够方便地处理并行任务，实现更复杂的业务逻辑。
• 异常处理：使用exceptionally()或handle()方法，可以捕获并处理异常情况，确保任务的稳定运行。这有助于减少程序中的错误和异常，提高程序的健壮性。
• 超时控制：使用completeOnTimeout()或completeOnCancel()方法，可以设置任务的超时时间。如果任务在指定的时间内未完成，可以执行相应的操作，避免无限期的等待。

2.3. CompletableFuture的使用场景

• 网络请求：在Web应用中，经常需要从远程服务器获取数据。使用CompletableFuture可以异步地发起网络请求，并在数据返回后自动处理结果，避免了同步阻塞等待。
• 数据计算：对于需要消耗较长时间的计算任务，可以使用CompletableFuture将其提交到线程池中异步执行。这样，主线程可以继续处理其他任务，而不会被长时间的计算所阻塞。
• 任务调度：当需要按照特定的顺序或并行关系执行多个任务时，可以使用CompletableFuture的组合操作来方便地实现。例如，可以等待多个任务全部完成后再执行后续操作，或者只需等待任何一个任务完成即可。
• 响应式编程：在响应式编程中，经常需要根据输入的数据流动态地生成输出。使用CompletableFuture可以方便地处理异步数据流，并在数据到达时自动触发相应的处理逻辑。

二、CompletableFuture详解

2.1. CompletableFuture技术细节

CompletableFuture实现了Future和CompletionStage接口

2.3. CompletableFuture和Future的对比

从表格中可以看出，CompletableFuture在链式操作、异常处理、回调执行、组合和并行处理等方面提供了更强大的功能，而Future在这些方面相对有限。此外，CompletableFuture还支持手动完成任务，提供了更灵活的任务管理方式。因此，在需要更高级别的异步编程和并发控制时，CompletableFuture是更好的选择。然而，如果只是简单的异步任务执行，并且不需要复杂的链式操作或异常处理，那么Future可能是一个更简单的解决方案。

三、使用方法

3.1. 基础使用

下面是一个简单的使用例子：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
public class CompletableFutureExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 创建一个异步任务
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 模拟一个耗时操作
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
                throw new IllegalStateException(e);
            }
            return "Hello, CompletableFuture!";
        });
        // 当任务完成后，获取结果
        System.out.println(future.get()); // 输出: Hello, CompletableFuture!
    }
}
• 

在上面的例子中，CompletableFuture.supplyAsync方法接受一个Supplier，异步地执行该Supplier中的代码，并返回一个CompletableFuture对象。调用get()方法会阻塞当前线程，直到异步任务完成并返回结果。

3.2. 方法列表

以下是CompletableFuture的常用和非常用方法列表，以表格形式展示：

3.2.1. 常用方法

下面是将CompletableFuture的常用和非常用方法以表格形式进行区分的示例：

3.2.2. 非常用方法

请注意，这个表格只是CompletableFuture方法的一个概览，并且可能并不包含所有可用的方法。在实际使用中，还应参考Java官方文档以获取最准确和完整的信息。此外，即使是“非常用”的方法，在特定的应用场景下也可能非常有用，因此建议了解并熟悉它们以便在需要时使用。

四、内部原理与实现细节

CompletableFuture 是 Java 8 引入的一个用于异步编程的类，它内部实现了一套复杂的机制来管理异步任务的执行、结果的传递以及异常的处理。下面我们将深入探讨 CompletableFuture 的内部原理，并解读其部分源码，以理解其如何工作。

4.1. 核心组件

CompletableFuture 的核心组件主要包括：

• 状态管理：使用 volatile 修饰的整型变量 state 来表示 CompletableFuture 的状态（如未完成、正常完成、异常完成等）。
• 结果存储：使用 volatile 修饰的 Object 类型变量 result 来存储异步任务的结果或异常。
• 依赖管理：CompletableFuture 内部可能维护多个依赖它的 CompletableFuture，当自身状态变化时，需要通知这些依赖进行相应的处理。
• 线程池：CompletableFuture 默认使用 ForkJoinPool.commonPool() 作为执行异步任务的线程池，但也可以自定义线程池。

4.2. 状态流转

CompletableFuture 的状态流转是其内部机制的关键部分。状态通常包括以下几种：

• NEW：初始状态，表示任务还未开始。
• COMPLETING：任务正在完成中，此时不允许其他线程修改状态。
• NORMAL：任务正常完成。
• EXCEPTIONAL：任务异常完成。
• CANCELLED：任务被取消。

状态的流转通过 CAS（Compare-and-Swap）操作来保证线程安全。

4. 3. 源码解读

下面选取 CompletableFuture 的部分源码进行解读：

4.3.1 构造函数

public CompletableFuture() {
}

构造函数非常简单，没有执行任何操作。实际上，状态的初始化和任务的执行是在后续的 runAsync、supplyAsync 等方法中完成的。

4.3.2 runAsync 方法

public CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable run) {
    // ... 省略部分代码 ...
    ForkJoinPool.commonPool().execute(new AsyncRun(run, null));
    return this;
}

runAsync 方法接受一个 Runnable 对象作为参数，并使用默认的 ForkJoinPool 异步执行它。这里创建了一个 AsyncRun 对象（它是 ForkJoinTask 的子类），并将其提交给线程池执行。

4.3.3 complete 方法

public boolean complete(T value) {
    return completeValue(value);
}
private boolean completeValue(T value) {
    if (completeValueInternal(value)) {
        propagateCompletion();
        return true;
    }
    return false;
}

complete 方法用于在正常情况下完成 CompletableFuture 并设置其结果。它首先调用 completeValueInternal 方法来尝试设置结果，如果成功，则调用 propagateCompletion 方法来通知所有依赖的 CompletableFuture。

4.3.4 propagateCompletion 方法

private void propagateCompletion() {
    // ... 省略部分代码 ...
    for (CompletableFuture<?> c; (c = next) != null; next = c.next) {
        c.postComplete();
    }
    // ... 省略部分代码 ...
}

propagateCompletion 方法负责通知所有依赖当前 CompletableFuture 的其他 CompletableFuture 对象。这里通过遍历一个链表（next 字段指向下一个依赖的 CompletableFuture）来实现。

4.3.5 postComplete 方法

final void postComplete() {
    // ... 省略部分代码 ...
    try {
        postAction();
    } finally {
        // ... 省略部分代码 ...
    }
}

postComplete 方法在 propagateCompletion 中被调用，用于执行后续的动作，比如调用 thenApply、thenAccept 等方法时提供的函数。

四、注意事项

1. 异常处理：异步任务中抛出的异常不会被主线程捕获，除非使用.exceptionally()方法来处理。
2. 线程池选择：CompletableFuture默认使用ForkJoinPool，但在高并发场景下，可能需要自定义线程池以避免资源耗尽。
3. 阻塞问题：get()和join()方法会阻塞当前线程，直到异步任务完成。在使用时要小心，避免造成死锁或性能问题。
4. 取消操作：CompletableFuture支持取消操作，但取消并不保证一定会成功。

五、总结

CompletableFuture是Java 8中引入的一个强大的异步编程工具，它提供了丰富的API和灵活的链式调用机制，使得编写异步代码变得简单而高效。通过合理使用CompletableFuture，我们可以编写出响应更快、吞吐量更高的并发程序。但同时也要注意其潜在的问题和限制，如异常处理、线程池选择等。

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