如何使用Java中的CompletableFuture函數進行非同步編程

隨著現代電腦系統日益複雜和龐大，並發性能已成為解決實際問題所必須的器具。傳統的同步程式設計方式已經無法滿足複雜系統需求，非同步程式設計已成為現代程式設計師開發高效能程式的重要工具。 Java 8 引入的 CompletableFuture 是非同步程式設計的強大機制，可大幅簡化非同步程式設計的複雜度，並提高程式碼的可讀性和可維護性。這篇文章將詳細介紹 CompletableFuture 的基本概念，建構和使用非同步任務，以及如何處理非同步任務的結果。

CompletableFuture 概述

CompletableFuture 是一個實作了 Future 介面的類，它是 Java 8 提供的一個全新的非同步程式設計工具，用於表達非同步操作和處理操作結果。與 Future 介面不同的是，CompletableFuture 提供了更強大的工具，以便更好的表達非同步操作的結果。 CompletableFuture 類別支援連結多個非同步操作，以形成流式的非同步操作鏈，類似於 RxJava 框架中的 Observable 和 Android 中的 AsyncTask。

有了 CompletableFuture，開發人員能夠輕鬆地建立非同步程式設計邏輯，不需要考慮大量的執行緒和鎖定的細節問題。 CompletableFuture 的使用方式也非常簡單明了，它們改變了非同步程式設計的實作方式，減少了基於回呼的非同步程式設計的缺陷，並提高了程式碼可讀性和可維護性。

基本用法

CompletableFuture 的基本用法是建立非同步操作鏈，可以使用 thenApplyAsync、thenComposeAsync、thenCombineAsync 以及 thenAcceptAsync 方法將非同步作業連結在一起。 thenApplyAsync 方法用於將函子（函數）應用到另一個非同步結果上，建立一個新的非同步任務；thenComposeAsync 方法用於將一個非同步操作的結果映射並連結到另一個非同步任務；thenCombineAsync 方法用於將一個非同步操作的結果映射並連結到另一個非同步任務上；thenCombineAsync 方法用於將兩個非同步操作的結果進行組合，並建立一個新的非同步操作；thenAcceptAsync 方法用於消費一個非同步結果。

下面是一個簡單的例子，展示了基本的非同步程式設計模式：

// 异步执行任务1
CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");

// 异步执行任务2，并在任务1完成之后执行
CompletableFuture<String> future2 = future1.thenApplyAsync(result -> result + " World");

// 等待任务2执行完成，并处理结果
future2.thenAcceptAsync(result -> System.out.println(result));

這段程式碼展示如何使用CompletableFuture 建立一個簡單且強大的非同步程式設計模型來組成非同步操作鏈。首先使用 supplyAsync 方法非同步執行任務1，該方法會將一個同步任務轉換為非同步任務。然後使用 thenApplyAsync 方法將任務1的結果（"Hello"）與 " World" 字串進行連接，並建立一個新的字串對象，該非同步任務代表一種結果的映射。最後，使用 thenAcceptAsync 方法處理結果並列印。這個範例非常簡單，但它展示了 CompletableFuture 的基本特性，尤其是鍊式程式設計和非同步程式設計的能力。

非同步運算的三種狀態

CompletableFuture 有三種狀態，分別是：

• 未完成（Uncompleted）：CompletableFuture 還沒有設定相關的結果。例如非同步任務還未開始運行、非同步任務正在進行中或非同步任務已經運行但未完成。
• 已完成異常（Completed Exceptionally）：CompletableFuture 在執行時遇到了異常，導致操作無法完成。異常的類型由透過呼叫 completeExceptionally 方法設定的 Exception 類型決定。
• 已完成（Completed Normally）：CompletableFuture 已完成，並成功傳回了結果。結果的類型由透過呼叫 complete 或 completeAsync 方法傳遞的參數類型決定。

任何一個 CompletableFuture 物件都只有一次完成或異常狀態，並且會從未完成狀態轉換為一種最終狀態。可以使用 isDone 方法檢查 CompletableFuture 是否已完成。例如：future.isDone()。

進一步探索 CompletableFuture 的方法

CompletableFuture 提供了許多方法來延遲執行非同步任務和處理它的結果。以下是一些主要的 CompletableFuture 方法：

• Runnable 包装器：runAsync 和 supplyAsync 是 CompletableFuture 运行异步任务的最简单的方式。
• 转换函数：我们可以通过使用 thenApply 方法来将一个异步操作的结果转化为另一个异步操作的参数。这也被称为异步映射。同样，使用 thenAccept 方法将一个异步结果作为消耗者。
• Bi Function：thenCombine 方法将两个 CompletableFuture 对象组合在一起，同时为它们提供一个组合函数。
• 异常处理：当 Future 对象抛出异常时，我们可以使用 exceptionally 方法指定如何处理异常。另外，使用 handle 方法还可以处理正常的结果和异常的情况。
• 组合多个结果：使用 allOf 和 anyOf 方法处理多个异步操作的结果。其中 allOf 则等待所有异步操作完成，而 anyOf 仅需等待其中任意一个异步操作完成。

案例演示

我们来看一个更加复杂的例子，该例子将涉及到 CompletableFuture 的多种使用模式：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class CompletableFutureDemo {

   public static void main(String args[]) throws InterruptedException, ExecutionException {

      // 创建异步任务1
      CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 2 + 3);

      // 创建异步任务2
      CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 3 * 4);

      // 组合异步任务1和异步任务2，使用BiFunction对象作为组合函数
      CompletableFuture<Integer> future3 = future1.thenCombineAsync(future2, (result1, result2) -> result1 * result2);

      // 创建异步任务3
      CompletableFuture<Integer> future4 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 2 + 7);

      // 组合异步任务1和异步任务3，使用Function类型的函数
      CompletableFuture<Integer> future5 = future1.thenComposeAsync(result -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> result + 5));

      // 组合异步任务1、异步任务2和异步任务3，使用组合函数，返回类型为Void
      CompletableFuture<Void> future6 = CompletableFuture.allOf(future1, future2, future4).thenAcceptAsync((Void) -> {
         try {
            System.out.println("The result of future1 is: " + future1.get());
            System.out.println("The result of future2 is: " + future2.get());
            System.out.println("The result of future4 is: " + future4.get());
         } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
         }
      });

      // 等待所有异步任务执行完毕
      CompletableFuture.allOf(future3, future5, future6).join();
   }
}

这段代码展示了 CompletableFutures 几种常用方法：suplyAsync、thenCombineAsync、thenComposeAsync和acceptAsync、allOf、isDone、join、get 和其他一些方法。我们首先定义了三个不同的 CompletableFuture 对象，根据不同的函数来完成，然后使用 thenCombineAsync 方法将这两个对象组合成一个对象。我们还使用 thenComposeAsync 构建了另一个异步结果，从这两个对象中获取了一些信息。最后，我们使用 allOf 方法来组合三个异步事件并在这三个异步操作完成后将它们组合在一个 Void 异步操作中，并使用 thenAcceptAsync 接受它们的值并将其打印到控制台上。

异步编程实践

异步编程是一项复杂的任务，有很多复杂性，需要更多的时间和经验来正确地完成。我们需要明确异步编程的目的，并准确掌握 CompletableFuture 机制，才能写出简洁、精简、易维护的代码。

异步编程的另一个好处是提高应用程序的性能和吞吐量，因为我们可以为多个 CPU 核心优化和并发运行任务。然而，它也有一定的成本，包括更复杂的代码、需要加锁的数据结构和其他潜在的性能问题。但是，使用 CompletableFuture 进行异步编程，可以使代码更具可读性和可维护性，并减少程序员编写出还原异步操作的代码的负担。异步编程虽然存在挑战，但对于开发高性能应用程序至关重要。

结论

这篇文章介绍了 CompletableFuture 和其在 Java 异步编程中的应用。CompletableFuture 类是一种强大的异步编程工具，可以帮助开发人员优雅地解决异步问题。虽然异步编程有一定的复杂性，但是通过理解 CompletableFuture 的基础和高级特性，我们可以优化代码并提高我们应用程序的性能。

总结起来，CompletableFuture 是 Java 8 提供的一种强大的异步编程工具，可用于解决异步操作的问题。CompletableFuture 可以通过链式编程来组成异步操作链，在提高效率的同时也为程序提供了更加优雅的代码实现方案。尽管异步编程带来了一些复杂性，需要开发人员在编写代码时更加小心，但当正确地使用 CompletableFuture 时，它可以帮助我们轻松地实现高效率、可维护和高质量的代码。

以上是如何使用Java中的CompletableFuture函數進行非同步編程的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！