Introduction à l'utilisation de CompletableFuture de Java8 (avec exemples)

Cet article vous présente une introduction à l'utilisation de CompletableFuture dans Java 8 (avec des exemples). Il a une certaine valeur de référence. Les amis dans le besoin peuvent s'y référer.

Présenté comme une amélioration de l'API Java 8 Concurrency, cet article est une introduction aux fonctionnalités et aux cas d'utilisation de la classe CompletableFuture. Dans le même temps, CompleteableFuture a apporté quelques améliorations à Java 9, qui seront expliquées plus tard.

Calcul futur

Le calcul asynchrone futur est difficile à utiliser, et généralement nous souhaitons traiter toute logique de calcul comme une série d'étapes. Mais dans le cas du calcul asynchrone, les méthodes représentées sous forme de rappels sont souvent dispersées dans le code ou profondément imbriquées les unes dans les autres. Mais les choses peuvent devenir plus compliquées lorsque nous devons gérer les erreurs qui peuvent survenir dans l’une des étapes.

L'interface Future est nouvelle dans Java 5 en tant que calcul asynchrone, mais elle ne dispose d'aucune méthode pour combiner les calculs ou gérer les erreurs possibles.

Dans Java 8, la classe CompletableFuture a été introduite. Outre l'interface Future, il implémente également l'interface CompletionStage. Cette interface définit un contrat de calcul asynchrone pouvant être combiné avec d'autres Futures.

CompletableFuture est à la fois une composition et un framework, avec environ 50 compositions, combinaisons différentes, exécutant des étapes de calcul asynchrones et gérant les erreurs.

Une API aussi énorme peut être écrasante, quelques-unes des plus importantes seront mises en évidence ci-dessous.

Utiliser CompletableFuture comme implémentation Future

Tout d'abord, la classe CompletableFuture implémente l'interface Future, vous pouvez donc l'utiliser comme implémentation Future, mais une logique d'implémentation d'achèvement supplémentaire est requise.

Par exemple, vous pouvez utiliser le constructeur sans paramètre pour créer une instance de cette classe, puis utiliser la méthode complete pour la compléter. Les consommateurs peuvent utiliser la méthode get pour bloquer le fil de discussion actuel jusqu'à get() résultats.

Dans l'exemple ci-dessous, nous avons une méthode qui crée une instance CompletableFuture, puis calcule et renvoie le Future immédiatement dans un autre thread.

Une fois le calcul terminé, la méthode complète le Future en alimentant le résultat à la méthode complète :

public Future<String> calculateAsync() throws InterruptedException {
    CompletableFuture<String> completableFuture 
      = new CompletableFuture<>();
 
    Executors.newCachedThreadPool().submit(() -> {
        Thread.sleep(500);
        completableFuture.complete("Hello");
        return null;
    });
 
    return completableFuture;
}

Pour séparer le calcul, nous utilisons l'Exécuteur API, ces méthodes qui créent et complètent un CompletableFuture peuvent être utilisées avec n'importe quel package simultané, y compris les threads bruts.

Veuillez noter que la méthode calculateAsync renvoie une instance Future.

Nous appelons simplement la méthode, recevons l'instance Future et appelons sa méthode get lorsque nous sommes prêts à bloquer le résultat.

Notez également que la méthode get renvoie certaines exceptions vérifiées, à savoir ExecutionException (qui encapsule les exceptions qui se produisent pendant le calcul) et InterruptedException (Exception indiquant que le thread exécutant la méthode est interrompu) :

Future<String> completableFuture = calculateAsync();
 
// ... 
 
String result = completableFuture.get();
assertEquals("Hello", result);

Si vous connaissez déjà le résultat du calcul, vous pouvez également renvoyer le résultat de manière synchrone.

Future<String> completableFuture = 
  CompletableFuture.completedFuture("Hello");
 
// ...
 
String result = completableFuture.get();
assertEquals("Hello", result);

Comme dans certains scénarios, vous souhaiterez peut-être annuler l'exécution des tâches futures.

Supposons que nous ne trouvions aucun résultat et décidions d'annuler complètement l'exécution asynchrone de la tâche. Cela peut être fait via la méthode d'annulation du Future. Cette méthodemayInterruptIfRunning, mais dans le cas de CompletableFuture, elle n'a aucun effet puisque les interruptions ne sont pas utilisées pour contrôler le traitement de CompletableFuture.

Voici la version modifiée de la méthode asynchrone :

public Future<String> calculateAsyncWithCancellation() throws InterruptedException {
    CompletableFuture<String> completableFuture = new CompletableFuture<>();
 
    Executors.newCachedThreadPool().submit(() -> {
        Thread.sleep(500);
        completableFuture.cancel(false);
        return null;
    });
 
    return completableFuture;
}

Lorsque nous utilisons la méthode Future.get() pour bloquer le résultat, cancel() signifie annuler l'exécution, cela throw CancellationException :

Future<String> future = calculateAsyncWithCancellation();
future.get(); // CancellationException

Introduction à l'API

Description de la méthode statique

Le code ci-dessus est très simple. Voici plusieurs méthodes statiques qui utilisent des tâches pour instancier une instance CompletableFuture.

CompletableFuture.runAsync(Runnable runnable);
CompletableFuture.runAsync(Runnable runnable, Executor executor);

CompletableFuture.supplyAsync(Supplier<U> supplier);
CompletableFuture.supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

La méthode runAsync reçoit une instance de Runnable, mais elle n'a pas de valeur de retour

La méthode supplyAsync est une interface fonctionnelle JDK8 sans paramètres et renverra un résultat

Ces deux méthodes sont des mises à niveau de l'exécuteur, ce qui signifie que la tâche est exécutée dans le pool de threads spécifié. Si elle n'est pas spécifiée, la tâche est généralement exécutée dans le pool de threads ForkJoinPool.commonPool().

supplyAsync() utilise les

méthodes statiques runAsync et supplyAsync nous permettant de créer des instances CompletableFuture à partir des types de fonctions Runnable et Supplier en conséquence.

L'interface Runnable est une ancienne interface utilisée dans les threads, qui n'autorise pas les valeurs de retour.

L'interface Fournisseur est une interface fonctionnelle générique qui ne prend aucun paramètre et renvoie une seule méthode d'un type paramétré.

Cela permet de fournir une instance de Supplier sous forme d'expression lambda qui effectue un calcul et renvoie le résultat :

CompletableFuture<String> future
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
// ...
 
assertEquals("Hello", future.get());

thenRun() en utilisant

dans les deux tâches Dans la tâche A et la tâche B, si vous n'avez pas besoin de la valeur de la tâche A ni ne souhaitez la référencer dans la tâche B, vous pouvez alors transmettre le lambda Runnable à la méthode thenRun(). Dans l'exemple ci-dessous, après avoir appelé la méthode future.get(), on imprime simplement une ligne dans la console :

Template

CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenRun(() -> {}); 
CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenRun(() -> {});

• 第一行用的是 thenRun(Runnable runnable)，任务 A 执行完执行 B，并且 B 不需要 A 的结果。
• 第二行用的是 thenRun(Runnable runnable)，任务 A 执行完执行 B，会返回resultA，但是 B 不需要 A 的结果。

实战

CompletableFuture<String> completableFuture 
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<Void> future = completableFuture
  .thenRun(() -> System.out.println("Computation finished."));
 
future.get();

thenAccept()使用

在两个任务任务A，任务B中，如果你不需要在Future中有返回值，则可以用 thenAccept方法接收将计算结果传递给它。最后的future.get（）调用返回Void类型的实例。

模板

CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenAccept(resultA -> {}); 

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenAccept(resultA -> {});

第一行中，runAsync不会有返回值，第二个方法thenAccept，接收到的resultA值为null，同时任务B也不会有返回结果

第二行中，supplyAsync有返回值，同时任务B不会有返回结果。

实战

CompletableFuture<String> completableFuture
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<Void> future = completableFuture
  .thenAccept(s -> System.out.println("Computation returned: " + s));
 
future.get();

thenApply()使用

在两个任务任务A，任务B中，任务B想要任务A计算的结果，可以用thenApply方法来接受一个函数实例，用它来处理结果，并返回一个Future函数的返回值：

模板

CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenApply(resultA -> "resultB");
CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenApply(resultA -> resultA + " resultB");

• 第二行用的是 thenApply(Function fn)，任务 A 执行完执行 B，B 需要 A 的结果，同时任务 B 有返回值。

实战

CompletableFuture<String> completableFuture
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<String> future = completableFuture
  .thenApply(s -> s + " World");
 
assertEquals("Hello World", future.get());

当然，多个任务的情况下，如果任务 B 后面还有任务 C，往下继续调用 .thenXxx() 即可。

thenCompose()使用

接下来会有一个很有趣的设计模式；

CompletableFuture API 的最佳场景是能够在一系列计算步骤中组合CompletableFuture实例。

这种组合结果本身就是CompletableFuture，允许进一步再续组合。这种方法在函数式语言中无处不在，通常被称为monadic设计模式。

简单说，Monad就是一种设计模式，表示将一个运算过程，通过函数拆解成互相连接的多个步骤。你只要提供下一步运算所需的函数，整个运算就会自动进行下去。

在下面的示例中，我们使用thenCompose方法按顺序组合两个Futures。

请注意，此方法采用返回CompletableFuture实例的函数。该函数的参数是先前计算步骤的结果。这允许我们在下一个CompletableFuture的lambda中使用这个值：

CompletableFuture<String> completableFuture 
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
    .thenCompose(s -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> s + " World"));
 
assertEquals("Hello World", completableFuture.get());

该thenCompose方法连同thenApply一样实现了结果的合并计算。但是他们的内部形式是不一样的，它们与Java 8中可用的Stream和Optional类的map和flatMap方法是有着类似的设计思路在里面的。

两个方法都接收一个CompletableFuture并将其应用于计算结果，但thenCompose（flatMap）方法接收一个函数，该函数返回相同类型的另一个CompletableFuture对象。此功能结构允许将这些类的实例继续进行组合计算。

thenCombine()

取两个任务的结果

如果要执行两个独立的任务，并对其结果执行某些操作，可以用Future的thenCombine方法：

模板

CompletableFuture<String> cfA = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA");
CompletableFuture<String> cfB = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultB");

cfA.thenAcceptBoth(cfB, (resultA, resultB) -> {});

cfA.thenCombine(cfB, (resultA, resultB) -> "result A + B");

实战

CompletableFuture<String> completableFuture 
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
    .thenCombine(CompletableFuture.supplyAsync(
      () -> " World"), (s1, s2) -> s1 + s2));
 
assertEquals("Hello World", completableFuture.get());

更简单的情况是，当你想要使用两个Future结果时，但不需要将任何结果值进行返回时，可以用thenAcceptBoth，它表示后续的处理不需要返回值，而 thenCombine 表示需要返回值：

CompletableFuture future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
  .thenAcceptBoth(CompletableFuture.supplyAsync(() -> " World"),
    (s1, s2) -> System.out.println(s1 + s2));

thenApply()和thenCompose()之间的区别

在前面的部分中，我们展示了关于thenApply()和thenCompose()的示例。这两个API都是使用的CompletableFuture调用，但这两个API的使用是不同的。

thenApply()

此方法用于处理先前调用的结果。但是，要记住的一个关键点是返回类型是转换泛型中的类型，是同一个CompletableFuture。

因此，当我们想要转换CompletableFuture 调用的结果时，效果是这样的  ：

CompletableFuture<Integer> finalResult = compute().thenApply(s-> s + 1);

thenCompose()

该thenCompose()方法类似于thenApply()在都返回一个新的计算结果。但是，thenCompose()使用前一个Future作为参数。它会直接使结果变新的Future，而不是我们在thenApply()中到的嵌套Future，而是用来连接两个CompletableFuture，是生成一个新的CompletableFuture：

CompletableFuture<Integer> computeAnother(Integer i){
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> 10 + i);
}
CompletableFuture<Integer> finalResult = compute().thenCompose(this::computeAnother);

因此，如果想要继续嵌套链接CompletableFuture  方法，那么最好使用thenCompose()。

并行运行多个任务

当我们需要并行执行多个任务时，我们通常希望等待所有它们执行，然后处理它们的组合结果。

该CompletableFuture.allOf静态方法允许等待所有的完成任务：

API

public static CompletableFuture<Void> allOf(CompletableFuture<?>... cfs){...}

实战

CompletableFuture<String> future1  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
CompletableFuture<String> future2  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Beautiful");
CompletableFuture<String> future3  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "World");
 
CompletableFuture<Void> combinedFuture 
  = CompletableFuture.allOf(future1, future2, future3);
 
// ...
 
combinedFuture.get();
 
assertTrue(future1.isDone());
assertTrue(future2.isDone());
assertTrue(future3.isDone());

请注意，CompletableFuture.allOf()的返回类型是CompletableFuture 。这种方法的局限性在于它不会返回所有任务的综合结果。相反，你必须手动从Futures获取结果。幸运的是，CompletableFuture.join()方法和Java 8 Streams API可以解决：

String combined = Stream.of(future1, future2, future3)
  .map(CompletableFuture::join)
  .collect(Collectors.joining(" "));
 
assertEquals("Hello Beautiful World", combined);

CompletableFuture 提供了 join() 方法，它的功能和 get() 方法是一样的，都是阻塞获取值，它们的区别在于 join() 抛出的是 unchecked Exception。这使得它可以在Stream.map（）方法中用作方法引用。

异常处理

说到这里，我们顺便来说下 CompletableFuture 的异常处理。这里我们要介绍两个方法：

public CompletableFuture<T> exceptionally(Function<Throwable, ? extends T> fn);
public <U> CompletionStage<U> handle(BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn);

看下代码

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA")
    .thenApply(resultA -> resultA + " resultB")
    .thenApply(resultB -> resultB + " resultC")
    .thenApply(resultC -> resultC + " resultD");

上面的代码中，任务 A、B、C、D 依次执行，如果任务 A 抛出异常（当然上面的代码不会抛出异常），那么后面的任务都得不到执行。如果任务 C 抛出异常，那么任务 D 得不到执行。

那么我们怎么处理异常呢？看下面的代码，我们在任务 A 中抛出异常，并对其进行处理：

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    throw new RuntimeException();
})
        .exceptionally(ex -> "errorResultA")
        .thenApply(resultA -> resultA + " resultB")
        .thenApply(resultB -> resultB + " resultC")
        .thenApply(resultC -> resultC + " resultD");

System.out.println(future.join());

上面的代码中，任务 A 抛出异常，然后通过 .exceptionally() 方法处理了异常，并返回新的结果，这个新的结果将传递给任务 B。所以最终的输出结果是：

errorResultA resultB resultC resultD

String name = null;
 
// ...
 
CompletableFuture<String> completableFuture  
  =  CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
      if (name == null) {
          throw new RuntimeException("Computation error!");
      }
      return "Hello, " + name;
  })}).handle((s, t) -> s != null ? s : "Hello, Stranger!");
 
assertEquals("Hello, Stranger!", completableFuture.get());

当然，它们也可以都为 null，因为如果它作用的那个 CompletableFuture 实例没有返回值的时候，s 就是 null。

Async后缀方法

CompletableFuture类中的API的大多数方法都有两个带有Async后缀的附加修饰。这些方法表示用于异步线程。

没有Async后缀的方法使用调用线程运行下一个执行线程阶段。不带Async方法使用ForkJoinPool.commonPool()线程池的fork / join实现运算任务。带有Async方法使用传递式的Executor任务去运行。

下面附带一个案例，可以看到有thenApplyAsync方法。在程序内部，线程被包装到ForkJoinTask实例中。这样可以进一步并行化你的计算并更有效地使用系统资源。

CompletableFuture<String> completableFuture  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<String> future = completableFuture
  .thenApplyAsync(s -> s + " World");
 
assertEquals("Hello World", future.get());

JDK 9 CompletableFuture API

在Java 9中，  CompletableFuture API通过以下更改得到了进一步增强：

• 新工厂方法增加了
• 支持延迟和超时
• 改进了对子类化的支持。

引入了新的实例API：

• Executor defaultExecutor()
• CompletableFuture newIncompleteFuture()
• CompletableFuture copy()
• CompletionStage minimalCompletionStage()
• CompletableFuture completeAsync(Supplier supplier, Executor executor)
• CompletableFuture completeAsync(Supplier supplier)
• CompletableFuture orTimeout(long timeout, TimeUnit unit)
• CompletableFuture completeOnTimeout(T value, long timeout, TimeUnit unit)

还有一些静态实用方法：

• Executor delayedExecutor(long delay, TimeUnit unit, Executor executor)
• Executor delayedExecutor(long delay, TimeUnit unit)
• CompletionStage completedStage(U value)
• CompletionStage failedStage(Throwable ex)
• CompletableFuture failedFuture(Throwable ex)

最后，为了解决超时问题，Java 9又引入了两个新功能：

• orTimeout()
• completeOnTimeout()

结论

在本文中，我们描述了CompletableFuture类的方法和典型用例。

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