Java8 CompletableFuture 如何實作非同步多執行緒程式設計？

1、一個範例回顧Future

一些業務場景我們需要使用多執行緒非同步執行任務，加快任務執行速度。

JDK5新增了Future接口，用來描述一個非同步計算的結果。

雖然Future 以及相關使用方法提供了異步執行任務的能力，但是對於結果的獲取卻是很不方便，我們必須使用Future.get()的方式阻塞調用線程，或者使用輪詢方式判斷Future.isDone 任務是否結束，再取得結果。

這兩種處理方式都不是很優雅，相關程式碼如下:

    @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");
    }

同時，Future無法解決多個非同步任務需要相互依賴的場景，簡單點說就是，主執行緒需要等待子執行緒任務執行完畢之後在進行執行，這個時候你可能想到了「CountDownLatch」，沒錯確實可以解決，程式碼如下。

這裡定義兩個Future，第一個透過使用者id取得使用者訊息，第二個透過商品id取得商品資訊。

    @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");
 
    }

「運行結果」

取得使用者資訊:用戶A
取得商品資訊:商品A
總共用時1110ms

從執行結果可以看出結果都已經獲取，而且如果我們不用非同步操作，執行時間應該是:500 400 600 = 1500,用非同步操作後實際只用1110。

但Java8以後我不在認為這是一種優雅的解決方式，接下來來了解下CompletableFuture的使用。

2、透過CompletableFuture實作上面範例

    @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");
    }

運行結果

取得使用者資訊:使用者A
取得商品資訊:商品A
總共用時1112ms

透過CompletableFuture可以很輕鬆的實作CountDownLatch的功能，你以為這就結束了，遠遠不止，CompletableFuture比這要強多了。

例如可以實現:任務1執行完了再執行任務2,甚至任務1執行的結果，作為任務2的入參數等等強大功能，下面就來學學CompletableFuture的API。

3、CompletableFuture建立方式

3.1、常用的4種建立方式

CompletableFuture原始碼中有四個靜態方法用來執行非同步任務

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){..}

一般我們用上面的靜態方法來建立CompletableFuture，這裡也解釋下他們的差異:

• #「supplyAsync」執行任務，支援傳回值。

• 「runAsync」執行任務，沒有回傳值。

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、結果取得的4種方式

對於結果的取得CompltableFuture類別提供了四種方式

//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()

說明：

• 「get()和get(long timeout , TimeUnit unit)” => 在Future中就已經提供了，後者提供超時處理，如果在指定時間內未獲取結果將拋出超時異常

• “getNow” => 立即取得結果不阻塞，結果計算已完成將傳回結果或計算過程中的異常，如果未計算完成將傳回設定的valueIfAbsent值

• #「join」 => 方法裡不會拋出例外

範例：

    @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());
    }

「運行結果」：

• 第一個執行結果為 「商品B」，因為要先睡1秒結果不能立即取得

• join方法取得結果方法裡不會拋異常，但是執行結果會拋出異常，拋出的異常為CompletionException

• get方法取得結果方法裡將拋出異常，執行結果拋出的異常為ExecutionException

4、非同步回呼方法

4.1、thenRun/thenRunAsync

通俗點講就是，「做完第一個任務後，再做第二個任務,第二個任務也沒有回傳值」。

範例

    @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有什麼差別呢？」

如果你執行第一個任務的時候，傳入了一個自訂執行緒池：

• 呼叫thenRun方法執行第二個任務時，則第二個任務和第一個任務是共用同一個執行緒池。

• 呼叫thenRunAsync執行第二個任務時，則第一個任務使用的是你自己傳入的執行緒池，第二個任務使用的是ForkJoin執行緒池。

說明: 後面介紹的thenAccept和thenAcceptAsync，thenApply和thenApplyAsync等，它們之間的差異也是這個。

4.2、thenAccept/thenAcceptAsync

第一個任務執行完成後，執行第二個回呼方法任務，會將該任務的執行結果，作為入參 ，傳遞到回呼方法中，但是回呼方法是沒有回傳值的。

範例

#

    @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；

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

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

 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。

以上是Java8 CompletableFuture 如何實作非同步多執行緒程式設計？的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！