如何使用Java中的CompletableFuture函数进行异步编程

随着现代计算机系统日益复杂和庞大，并发性能已成为解决实际问题所必须的器具。传统的同步编程方式已经不能满足复杂系统需求，异步编程已成为现代程序员开发高性能程序的重要工具。Java 8 引入的 CompletableFuture 是异步编程的一种强大机制，可以大大简化异步编程的复杂度，并提高代码的可读性和可维护性。这篇文章将详细介绍 CompletableFuture 的基本概念，构建和使用异步任务，以及如何处理异步任务的结果。

CompletableFuture 概述

CompletableFuture 是一个实现了 Future 接口的类，它是 Java 8 提供的一个全新的异步编程工具，用于表达异步操作和处理操作结果。与 Future 接口不同的是，CompletableFuture 提供了更加强大的工具，以便更好的表达异步操作的结果。CompletableFuture 类支持链接多个异步操作，以形成流式的异步操作链，类似于 RxJava 框架中的 Observable 和 Android 中的 AsyncTask。

有了 CompletableFuture，开发人员能够轻松地构建异步编程逻辑，不需要考虑大量的线程和锁的细节问题。CompletableFuture 的使用方式也非常简单明了，它们改变了异步编程的实现方式，减少了基于回调的异步编程的缺陷，并提高了代码可读性和可维护性。

基本用法

CompletableFuture 的基本用法就是构建异步操作链，可以使用 thenApplyAsync、thenComposeAsync、thenCombineAsync 以及 thenAcceptAsync 方法将异步操作链接在一起。thenApplyAsync 方法用于把一个函子（函数）应用到另一个异步结果上，创建一个新的异步任务；thenComposeAsync 方法用于将一个异步操作的结果映射并链接到另一个异步任务上；thenCombineAsync 方法用于将两个异步操作的结果进行组合，并创建一个新的异步操作；thenAcceptAsync 方法用于消费一个异步结果。

下面是一个简单的例子，展示了基本的异步编程模式：

// 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));

这段代码展示了如何使用 CompletableFuture 建立一个简单而强大的异步编程模型来组成异步操作链。首先使用 supplyAsync 方法异步执行任务1，该方法会将一个同步任务转化为异步任务。然后使用 thenApplyAsync 方法将任务1的结果（"Hello"）与 " World" 字符串进行连接，并构建一个新的字符串对象，该异步任务代表一种结果的映射。最后，使用 thenAcceptAsync 方法处理结果并打印。这个例子非常简单，但是它展示了 CompletableFuture 的基本特性，尤其是链式编程和异步编程的能力。

异步操作的三种状态

CompletableFuture 有三种状态，分别是：

• 未完成（Uncompleted）：CompletableFuture 还没有设置相关的结果。例如异步任务还未开始运行、异步任务正在进行中或异步任务已经运行但未完成。
• 已完成异常（Completed Exceptionally）：CompletableFuture 在运行时遇到了异常，导致操作不能完成。异常的类型由通过调用 completeExceptionally 方法设置的 Exception 类型确定。
• 已完成（Completed Normally）：CompletableFuture 已完成，并成功返回了结果。结果的类型由通过调用 complete 或 completeAsync 方法传递的参数类型确定。

任何一个 CompletableFuture 对象都只有一次完成或异常状态，并且会从未完成状态转换为一种最终状态。可以使用 isDone 方法检查 CompletableFuture 是否已经完成。例如：future.isDone()。

进一步探索 CompletableFuture 的方法

CompletableFuture 提供了许多方法来延迟执行异步任务和处理它的结果。下面是一些主要的 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函数进行异步编程的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！