Java8 CompletableFuture 如何实现异步多线程编程？

WBOY

发布时间：2023-04-27 08:22:06

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1、一个示例回顾Future

一些业务场景我们需要使用多线程异步执行任务，加快任务执行速度。

JDK5新增了Future接口，用于描述一个异步计算的结果。

虽然 Future 以及相关使用方法提供了异步执行任务的能力，但是对于结果的获取却是很不方便，我们必须使用Future.get()的方式阻塞调用线程，或者使用轮询方式判断 Future.isDone 任务是否结束，再获取结果。

这两种处理方式都不是很优雅，相关代码如下:

    @Test
    public void testFuture() throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
        Future<String> future = executorService.submit(() -> {
            Thread.sleep(2000);
            return "hello";
        });
        System.out.println(future.get());
        System.out.println("end");
    }

与此同时，Future无法解决多个异步任务需要相互依赖的场景，简单点说就是，主线程需要等待子线程任务执行完毕之后在进行执行，这个时候你可能想到了「CountDownLatch」，没错确实可以解决，代码如下。

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这里定义两个Future，第一个通过用户id获取用户信息，第二个通过商品id获取商品信息。

    @Test
    public void testCountDownLatch() throws InterruptedException, ExecutionException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
        CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(2);
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        Future<String> userFuture = executorService.submit(() -> {
            //模拟查询商品耗时500毫秒
            Thread.sleep(500);
            downLatch.countDown();
            return "用户A";
        });
 
        Future<String> goodsFuture = executorService.submit(() -> {
            //模拟查询商品耗时500毫秒
            Thread.sleep(400);
            downLatch.countDown();
            return "商品A";
        });
 
        downLatch.await();
        //模拟主程序耗时时间
        Thread.sleep(600);
        System.out.println("获取用户信息:" + userFuture.get());
        System.out.println("获取商品信息:" + goodsFuture.get());
        System.out.println("总共用时" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
 
    }

「运行结果」

获取用户信息:用户A获取商品信息:商品A总共用时1110ms

从运行结果可以看出结果都已经获取，而且如果我们不用异步操作，执行时间应该是:500+400+600 = 1500,用异步操作后实际只用1110。

但是Java8以后我不在认为这是一种优雅的解决方式，接下来来了解下CompletableFuture的使用。

2、通过CompletableFuture实现上面示例

    @Test
    public void testCompletableInfo() throws InterruptedException, ExecutionException {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
 
        //调用用户服务获取用户基本信息
        CompletableFuture<String> userFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() ->
                //模拟查询商品耗时500毫秒
        {
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return "用户A";
        });
 
        //调用商品服务获取商品基本信息
        CompletableFuture<String> goodsFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() ->
                //模拟查询商品耗时500毫秒
        {
            try {
                Thread.sleep(400);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return "商品A";
        });
 
        System.out.println("获取用户信息:" + userFuture.get());
        System.out.println("获取商品信息:" + goodsFuture.get());
 
        //模拟主程序耗时时间
        Thread.sleep(600);
        System.out.println("总共用时" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
    }

运行结果

获取用户信息:用户A
获取商品信息:商品A
总共用时1112ms

通过CompletableFuture可以很轻松的实现CountDownLatch的功能，你以为这就结束了，远远不止，CompletableFuture比这要强多了。

比如可以实现:任务1执行完了再执行任务2,甚至任务1执行的结果，作为任务2的入参数等等强大功能，下面就来学学CompletableFuture的API。

3、CompletableFuture创建方式

3.1、常用的4种创建方式

CompletableFuture源码中有四个静态方法用来执行异步任务

public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier){..}
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier,Executor executor){..}
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable){..}
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable,Executor executor){..}

一般我们用上面的静态方法来创建CompletableFuture，这里也解释下他们的区别:

「supplyAsync」执行任务，支持返回值。
「runAsync」执行任务，没有返回值。

3.1.1、「supplyAsync方法」

//使用默认内置线程池ForkJoinPool.commonPool()，根据supplier构建执行任务
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier)
//自定义线程，根据supplier构建执行任务
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

3.1.2、「runAsync方法」

//使用默认内置线程池ForkJoinPool.commonPool()，根据runnable构建执行任务
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable) 
//自定义线程，根据runnable构建执行任务
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable,  Executor executor)

3.2、结果获取的4种方式

对于结果的获取CompltableFuture类提供了四种方式

//方式一
public T get()
//方式二
public T get(long timeout, TimeUnit unit)
//方式三
public T getNow(T valueIfAbsent)
//方式四
public T join()

说明：

「get()和get(long timeout, TimeUnit unit)」 => 在Future中就已经提供了，后者提供超时处理，如果在指定时间内未获取结果将抛出超时异常
「getNow」 => 立即获取结果不阻塞，结果计算已完成将返回结果或计算过程中的异常，如果未计算完成将返回设定的valueIfAbsent值
「join」 => 方法里不会抛出异常

示例：

    @Test
    public void testCompletableGet() throws InterruptedException, ExecutionException {
 
        CompletableFuture<String> cp1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return "商品A";
        });
 
        // getNow方法测试 
        System.out.println(cp1.getNow("商品B"));
 
        //join方法测试 
        CompletableFuture<Integer> cp2 = CompletableFuture.supplyAsync((() -> 1 / 0));
        System.out.println(cp2.join());
        System.out.println("-----------------------------------------------------");
        //get方法测试
        CompletableFuture<Integer> cp3 = CompletableFuture.supplyAsync((() -> 1 / 0));
        System.out.println(cp3.get());
    }

「运行结果」：

第一个执行结果为 「商品B」，因为要先睡上1秒结果不能立即获取
join方法获取结果方法里不会抛异常，但是执行结果会抛异常，抛出的异常为CompletionException
get方法获取结果方法里将抛出异常，执行结果抛出的异常为ExecutionException

4、异步回调方法

Java8 CompletableFuture异步多线程怎么实现

4.1、thenRun/thenRunAsync

通俗点讲就是，「做完第一个任务后，再做第二个任务,第二个任务也没有返回值」。

示例

    @Test
    public void testCompletableThenRunAsync() throws InterruptedException, ExecutionException {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
 
        CompletableFuture<Void> cp1 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            try {
                //执行任务A
                Thread.sleep(600);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
 
        });
 
        CompletableFuture<Void> cp2 = cp1.thenRun(() -> {
            try {
                //执行任务B
                Thread.sleep(400);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
 
        // get方法测试
        System.out.println(cp2.get());
 
        //模拟主程序耗时时间
        Thread.sleep(600);
        System.out.println("总共用时" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
    }
 
    //运行结果
    /**
     *  null
     *  总共用时1610ms
     */

「thenRun 和thenRunAsync有什么区别呢？」

如果你执行第一个任务的时候，传入了一个自定义线程池：

调用thenRun方法执行第二个任务时，则第二个任务和第一个任务是共用同一个线程池。
调用thenRunAsync执行第二个任务时，则第一个任务使用的是你自己传入的线程池，第二个任务使用的是ForkJoin线程池。

说明: 后面介绍的thenAccept和thenAcceptAsync，thenApply和thenApplyAsync等，它们之间的区别也是这个。

4.2、thenAccept/thenAcceptAsync

第一个任务执行完成后，执行第二个回调方法任务，会将该任务的执行结果，作为入参，传递到回调方法中，但是回调方法是没有返回值的。

示例

    @Test
    public void testCompletableThenAccept() throws ExecutionException, InterruptedException {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        CompletableFuture<String> cp1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return "dev";
 
        });
        CompletableFuture<Void> cp2 = cp1.thenAccept((a) -> {
            System.out.println("上一个任务的返回结果为: " + a);
        });
 
        cp2.get();
    }

4.3、 thenApply/thenApplyAsync

表示第一个任务执行完成后，执行第二个回调方法任务，会将该任务的执行结果，作为入参，传递到回调方法中，并且回调方法是有返回值的。

示例

    @Test
    public void testCompletableThenApply() throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<String> cp1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return "dev";
 
        }).thenApply((a) -> {
            if (Objects.equals(a, "dev")) {
                return "dev";
            }
            return "prod";
        });
 
        System.out.println("当前环境为:" + cp1.get());
 
        //输出: 当前环境为:dev
    }

5、异常回调

当CompletableFuture的任务不论是正常完成还是出现异常它都会调用「whenComplete」这回调函数。

「正常完成」：whenComplete返回结果和上级任务一致，异常为null；
「出现异常」：whenComplete返回结果为null，异常为上级任务的异常；

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即调用get()时，正常完成时就获取到结果，出现异常时就会抛出异常，需要你处理该异常。

下面来看看示例

5.1、只用whenComplete

    @Test
    public void testCompletableWhenComplete() throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<Double> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
 
            if (Math.random() < 0.5) {
                throw new RuntimeException("出错了");
            }
            System.out.println("正常结束");
            return 0.11;
 
        }).whenComplete((aDouble, throwable) -> {
            if (aDouble == null) {
                System.out.println("whenComplete aDouble is null");
            } else {
                System.out.println("whenComplete aDouble is " + aDouble);
            }
            if (throwable == null) {
                System.out.println("whenComplete throwable is null");
            } else {
                System.out.println("whenComplete throwable is " + throwable.getMessage());
            }
        });
        System.out.println("最终返回的结果 = " + future.get());
    }

正常完成，没有异常时：

正常结束
whenComplete aDouble is 0.11
whenComplete throwable is null
最终返回的结果 = 0.11

出现异常时：get()会抛出异常

whenComplete aDouble is null
whenComplete throwable is java.lang.RuntimeException: 出错了

java.util.concurrent.ExecutionException: java.lang.RuntimeException: 出错了
at java.util.concurrent.CompletableFuture.reportGet(CompletableFuture.java:357)
at java.util.concurrent.CompletableFuture.get(CompletableFuture.java:1895)

5.2、whenComplete + exceptionally示例

    @Test
    public void testWhenCompleteExceptionally() throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<Double> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            if (Math.random() < 0.5) {
                throw new RuntimeException("出错了");
            }
            System.out.println("正常结束");
            return 0.11;
 
        }).whenComplete((aDouble, throwable) -> {
            if (aDouble == null) {
                System.out.println("whenComplete aDouble is null");
            } else {
                System.out.println("whenComplete aDouble is " + aDouble);
            }
            if (throwable == null) {
                System.out.println("whenComplete throwable is null");
            } else {
                System.out.println("whenComplete throwable is " + throwable.getMessage());
            }
        }).exceptionally((throwable) -> {
            System.out.println("exceptionally中异常：" + throwable.getMessage());
            return 0.0;
        });
 
        System.out.println("最终返回的结果 = " + future.get());
    }

当出现异常时，exceptionally中会捕获该异常，给出默认返回值0.0。

whenComplete aDouble is null
whenComplete throwable is java.lang.RuntimeException: 出错了
exceptionally中异常：java.lang.RuntimeException: 出错了
最终返回的结果 = 0.0

6、多任务组合回调

Java8 CompletableFuture异步多线程怎么实现

6.1、AND组合关系

thenCombine / thenAcceptBoth / runAfterBoth都表示：「当任务一和任务二都完成再执行任务三」。

区别在于：

「runAfterBoth」 不会把执行结果当做方法入参，且没有返回值
「thenAcceptBoth」: 会将两个任务的执行结果作为方法入参，传递到指定方法中，且无返回值
「thenCombine」：会将两个任务的执行结果作为方法入参，传递到指定方法中，且有返回值

示例

    @Test
    public void testCompletableThenCombine() throws ExecutionException, InterruptedException {
        //创建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //开启异步任务1
        CompletableFuture<Integer> task = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("异步任务1，当前线程是：" + Thread.currentThread().getId());
            int result = 1 + 1;
            System.out.println("异步任务1结束");
            return result;
        }, executorService);
 
        //开启异步任务2
        CompletableFuture<Integer> task2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("异步任务2，当前线程是：" + Thread.currentThread().getId());
            int result = 1 + 1;
            System.out.println("异步任务2结束");
            return result;
        }, executorService);
 
        //任务组合
        CompletableFuture<Integer> task3 = task.thenCombineAsync(task2, (f1, f2) -> {
            System.out.println("执行任务3，当前线程是：" + Thread.currentThread().getId());
            System.out.println("任务1返回值：" + f1);
            System.out.println("任务2返回值：" + f2);
            return f1 + f2;
        }, executorService);
 
        Integer res = task3.get();
        System.out.println("最终结果：" + res);
    }

「运行结果」

异步任务1，当前线程是：17
异步任务1结束
异步任务2，当前线程是：18
异步任务2结束
执行任务3，当前线程是：19
任务1返回值：2
任务2返回值：2
最终结果：4

6.2、OR组合关系

applyToEither / acceptEither / runAfterEither 都表示：「两个任务，只要有一个任务完成，就执行任务三」。

区别在于：

「runAfterEither」：不会把执行结果当做方法入参，且没有返回值
「acceptEither」: 会将已经执行完成的任务，作为方法入参，传递到指定方法中，且无返回值
「applyToEither」：会将已经执行完成的任务，作为方法入参，传递到指定方法中，且有返回值

示例

    @Test
    public void testCompletableEitherAsync() {
        //创建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //开启异步任务1
        CompletableFuture<Integer> task = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("异步任务1，当前线程是：" + Thread.currentThread().getId());
 
            int result = 1 + 1;
            System.out.println("异步任务1结束");
            return result;
        }, executorService);
 
        //开启异步任务2
        CompletableFuture<Integer> task2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("异步任务2，当前线程是：" + Thread.currentThread().getId());
            int result = 1 + 2;
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("异步任务2结束");
            return result;
        }, executorService);
 
        //任务组合
        task.acceptEitherAsync(task2, (res) -> {
            System.out.println("执行任务3，当前线程是：" + Thread.currentThread().getId());
            System.out.println("上一个任务的结果为：" + res);
        }, executorService);
    }

运行结果

//通过结果可以看出，异步任务2都没有执行结束，任务3获取的也是1的执行结果
异步任务1，当前线程是：17
异步任务1结束
异步任务2，当前线程是：18
执行任务3，当前线程是：19
上一个任务的结果为：2

注意

如果把上面的核心线程数改为1也就是

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);

运行结果就是下面的了，会发现根本没有执行任务3，显然是任务3直接被丢弃了。

异步任务1，当前线程是：17
异步任务1结束
异步任务2，当前线程是：17

6.3、多任务组合

「allOf」：等待所有任务完成
「anyOf」：只要有一个任务完成

示例

allOf：等待所有任务完成

    @Test
    public void testCompletableAallOf() throws ExecutionException, InterruptedException {
        //创建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //开启异步任务1
        CompletableFuture<Integer> task = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("异步任务1，当前线程是：" + Thread.currentThread().getId());
            int result = 1 + 1;
            System.out.println("异步任务1结束");
            return result;
        }, executorService);
 
        //开启异步任务2
        CompletableFuture<Integer> task2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("异步任务2，当前线程是：" + Thread.currentThread().getId());
            int result = 1 + 2;
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("异步任务2结束");
            return result;
        }, executorService);
 
        //开启异步任务3
        CompletableFuture<Integer> task3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("异步任务3，当前线程是：" + Thread.currentThread().getId());
            int result = 1 + 3;
            try {
                Thread.sleep(4000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("异步任务3结束");
            return result;
        }, executorService);
 
        //任务组合
        CompletableFuture<Void> allOf = CompletableFuture.allOf(task, task2, task3);
 
        //等待所有任务完成
        allOf.get();
        //获取任务的返回结果
        System.out.println("task结果为：" + task.get());
        System.out.println("task2结果为：" + task2.get());
        System.out.println("task3结果为：" + task3.get());
    }

anyOf: 只要有一个任务完成

    @Test
    public void testCompletableAnyOf() throws ExecutionException, InterruptedException {
        //创建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //开启异步任务1
        CompletableFuture<Integer> task = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            int result = 1 + 1;
            return result;
        }, executorService);
 
        //开启异步任务2
        CompletableFuture<Integer> task2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            int result = 1 + 2;
            return result;
        }, executorService);
 
        //开启异步任务3
        CompletableFuture<Integer> task3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            int result = 1 + 3;
            return result;
        }, executorService);
 
        //任务组合
        CompletableFuture<Object> anyOf = CompletableFuture.anyOf(task, task2, task3);
        //只要有一个有任务完成
        Object o = anyOf.get();
        System.out.println("完成的任务的结果：" + o);
    }

7、CompletableFuture使用有哪些注意点

Java8 CompletableFuture异步多线程怎么实现

CompletableFuture 使我们的异步编程更加便利的、代码更加优雅的同时，我们也要关注下它，使用的一些注意点。

7.1、Future需要获取返回值，才能获取异常信息

    @Test
    public void testWhenCompleteExceptionally() {
        CompletableFuture<Double> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            if (1 == 1) {
                throw new RuntimeException("出错了");
            }
            return 0.11;
        });
 
        //如果不加 get()方法这一行，看不到异常信息
        //future.get();
    }

Future需要获取返回值，才能获取到异常信息。如果不加 get()/join()方法，看不到异常信息。

小伙伴们使用的时候，注意一下哈,考虑是否加try...catch...或者使用exceptionally方法。

7.2、CompletableFuture的get()方法是阻塞的

CompletableFuture的get()方法是阻塞的，如果使用它来获取异步调用的返回值，需要添加超时时间。

//反例
 CompletableFuture.get();
//正例
CompletableFuture.get(5, TimeUnit.SECONDS);

7.3、不建议使用默认线程池

CompletableFuture代码中又使用了默认的「ForkJoin线程池」，处理的线程个数是电脑「CPU核数-1」。在大量请求过来的时候，处理逻辑复杂的话，响应会很慢。一般建议使用自定义线程池，优化线程池配置参数。

7.4、自定义线程池时，注意饱和策略

CompletableFuture的get()方法是阻塞的，我们一般建议使用future.get(5, TimeUnit.SECONDS)。并且一般建议使用自定义线程池。

但是如果线程池拒绝策略是DiscardPolicy或者DiscardOldestPolicy，当线程池饱和时，会直接丢弃任务，不会抛弃异常。因此建议，CompletableFuture线程池策略最好使用AbortPolicy，然后耗时的异步线程，做好线程池隔离哈。

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