Java8 CompletableFuture 如何實作非同步多執行緒程式設計？
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- 2023-04-27 08:22:062383瀏覽
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。
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