Java并發(fā)CompletableFuture異步編程的實(shí)現(xiàn)

前面我們不止一次提到，用多線程優(yōu)化性能，其實(shí)不過就是將串行操作變成并行操作。如果仔細(xì)觀察，你還會(huì)發(fā)現(xiàn)在串行轉(zhuǎn)換成并行的過程中，一定會(huì)涉及到異步化，例如下面的示例代碼，現(xiàn)在是串行的，為了提升性能，我們得把它們并行化。

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// 以下兩個(gè)方法都是耗時(shí)操作
doBizA();
doBizB();


//創(chuàng)建兩個(gè)子線程去執(zhí)行就可以了，兩個(gè)操作已經(jīng)被異步化了。
new Thread(()->doBizA())
 .start();
new Thread(()->doBizB())
 .start(); 

異步化，是并行方案得以實(shí)施的基礎(chǔ)，更深入地講其實(shí)就是：利用多線程優(yōu)化性能這個(gè)核心方案得以實(shí)施的基礎(chǔ)。Java 在 1.8 版本提供了 CompletableFuture 來支持異步編程。

CompletableFuture 的核心優(yōu)勢

為了領(lǐng)略 CompletableFuture 異步編程的優(yōu)勢，這里我們用 CompletableFuture 重新實(shí)現(xiàn)前面曾提及的燒水泡茶程序。首先還是需要先完成分工方案，在下面的程序中，我們分了 3 個(gè)任務(wù)：任務(wù) 1 負(fù)責(zé)洗水壺、燒開水，任務(wù) 2 負(fù)責(zé)洗茶壺、洗茶杯和拿茶葉，任務(wù) 3 負(fù)責(zé)泡茶。其中任務(wù) 3 要等待任務(wù) 1 和任務(wù) 2 都完成后才能開始。這個(gè)分工如下圖所示。

燒水泡茶分工方案

// 任務(wù) 1：洗水壺 -> 燒開水
CompletableFuture<Void> f1 = 
 CompletableFuture.runAsync(()->{
 System.out.println("T1: 洗水壺...");
 sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

 System.out.println("T1: 燒開水...");
 sleep(15, TimeUnit.SECONDS);
});
// 任務(wù) 2：洗茶壺 -> 洗茶杯 -> 拿茶葉
CompletableFuture<String> f2 = 
 CompletableFuture.supplyAsync(()->{
 System.out.println("T2: 洗茶壺...");
 sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

 System.out.println("T2: 洗茶杯...");
 sleep(2, TimeUnit.SECONDS);

 System.out.println("T2: 拿茶葉...");
 sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
 return " 龍井 ";
});
// 任務(wù) 3：任務(wù) 1 和任務(wù) 2 完成后執(zhí)行：泡茶
CompletableFuture<String> f3 = 
 f1.thenCombine(f2, (__, tf)->{
  System.out.println("T1: 拿到茶葉:" + tf);
  System.out.println("T1: 泡茶...");
  return " 上茶:" + tf;
 });
// 等待任務(wù) 3 執(zhí)行結(jié)果
System.out.println(f3.join());

void sleep(int t, TimeUnit u) {
 try {
  u.sleep(t);
 }catch(InterruptedException e){}
}
// 一次執(zhí)行結(jié)果：
T1: 洗水壺...
T2: 洗茶壺...
T1: 燒開水...
T2: 洗茶杯...
T2: 拿茶葉...
T1: 拿到茶葉: 龍井
T1: 泡茶...
上茶: 龍井

從整體上來看，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)

• 無需手工維護(hù)線程，沒有繁瑣的手工維護(hù)線程的工作，給任務(wù)分配線程的工作也不需要我們關(guān)注；
• 語義更清晰，例如f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 能夠清晰地表述“任務(wù) 3 要等待任務(wù) 1 和任務(wù) 2 都完成后才能開始”；
• 代碼更簡練并且專注于業(yè)務(wù)邏輯，幾乎所有代碼都是業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的。

領(lǐng)略 CompletableFuture 異步編程的優(yōu)勢之后，下面我們?cè)敿?xì)介紹 CompletableFuture 的使用。

創(chuàng)建 CompletableFuture 對(duì)象

創(chuàng)建 CompletableFuture 對(duì)象主要靠下面代碼中展示的這 4 個(gè)靜態(tài)方法，我們先看前兩個(gè)。在燒水泡茶的例子中，我們已經(jīng)使用了runAsync(Runnable runnable) 和 supplyAsync(Supplier<U> supplier)，它們之間的區(qū)別是：Runnable 接口的 run() 方法沒有返回值，而 Supplier 接口的 get() 方法是有返回值的。

前兩個(gè)方法和后兩個(gè)方法的區(qū)別在于：后兩個(gè)方法可以指定線程池參數(shù)。

默認(rèn)情況下 CompletableFuture 會(huì)使用公共的 ForkJoinPool 線程池，這個(gè)線程池默認(rèn)創(chuàng)建的線程數(shù)是 CPU 的核數(shù)（也可以通過 JVM option:-Djava.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism 來設(shè)置 ForkJoinPool 線程池的線程數(shù)）。如果所有 CompletableFuture 共享一個(gè)線程池，那么一旦有任務(wù)執(zhí)行一些很慢的 I/O 操作，就會(huì)導(dǎo)致線程池中所有線程都阻塞在 I/O 操作上，從而造成線程饑餓，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。所以，強(qiáng)烈建議你要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型創(chuàng)建不同的線程池，以避免互相干擾。

// 使用默認(rèn)線程池
static CompletableFuture<Void> 
 runAsync(Runnable runnable)
static <U> CompletableFuture<U> 
 supplyAsync(Supplier<U> supplier)
// 可以指定線程池 
static CompletableFuture<Void> 
 runAsync(Runnable runnable, Executor executor)
static <U> CompletableFuture<U> 
 supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor) 

創(chuàng)建完 CompletableFuture 對(duì)象之后，會(huì)自動(dòng)地異步執(zhí)行 runnable.run() 方法或者 supplier.get() 方法，對(duì)于一個(gè)異步操作，你需要關(guān)注兩個(gè)問題：一個(gè)是異步操作什么時(shí)候結(jié)束，另一個(gè)是如何獲取異步操作的執(zhí)行結(jié)果。因?yàn)?CompletableFuture 類實(shí)現(xiàn)了 Future 接口，所以這兩個(gè)問題你都可以通過 Future 接口來解決。另外，CompletableFuture 類還實(shí)現(xiàn)了 CompletionStage 接口，這個(gè)接口內(nèi)容實(shí)在是太豐富了，在 1.8 版本里有 40 個(gè)方法，這些方法我們?cè)撊绾卫斫饽兀?/p>

理解 CompletionStage 接口

可以站在分工的角度類比一下工作流。任務(wù)是有時(shí)序關(guān)系的，比如有串行關(guān)系、并行關(guān)系、匯聚關(guān)系等。這樣說可能有點(diǎn)抽象，這里還舉前面燒水泡茶的例子，其中洗水壺和燒開水就是串行關(guān)系，洗水壺、燒開水和洗茶壺、洗茶杯這兩組任務(wù)之間就是并行關(guān)系，而燒開水、拿茶葉和泡茶就是匯聚關(guān)系。

串行關(guān)系

并行關(guān)系

匯聚關(guān)系

CompletionStage 接口可以清晰地描述任務(wù)之間的這種時(shí)序關(guān)系，例如前面提到的
f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 描述的就是一種匯聚關(guān)系。燒水泡茶程序中的匯聚關(guān)系是一種 AND 聚合關(guān)系，這里的 AND 指的是所有依賴的任務(wù)（燒開水和拿茶葉）都完成后才開始執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)（泡茶）。既然有 AND 聚合關(guān)系，那就一定還有 OR 聚合關(guān)系，所謂 OR 指的是依賴的任務(wù)只要有一個(gè)完成就可以執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)。

最后就是異常，CompletionStage 接口也可以方便地描述異常處理。

下面我們就來一一介紹，CompletionStage 接口如何描述串行關(guān)系、AND 聚合關(guān)系、OR 聚合關(guān)系以及異常處理。

1. 描述串行關(guān)系

CompletionStage 接口里面描述串行關(guān)系，主要是 thenApply、thenAccept、thenRun 和 thenCompose 這四個(gè)系列的接口。

thenApply 系列函數(shù)里參數(shù) fn 的類型是接口 Function<T, R>，這個(gè)接口里與 CompletionStage 相關(guān)的方法是R apply(T t)，這個(gè)方法既能接收參數(shù)也支持返回值，所以 thenApply 系列方法返回的是CompletionStage<R>。

而 thenAccept 系列方法里參數(shù) consumer 的類型是接口Consumer<T>，這個(gè)接口里與 CompletionStage 相關(guān)的方法是void accept(T t)，這個(gè)方法雖然支持參數(shù)，但卻不支持回值，所以 thenAccept 系列方法返回的是CompletionStage<Void>

thenRun 系列方法里 action 的參數(shù)是 Runnable，所以 action 既不能接收參數(shù)也不支持返回值，所以 thenRun 系列方法返回的也是CompletionStage<Void>

這些方法里面 Async 代表的是異步執(zhí)行 fn、consumer 或者 action。其中，需要你注意的是 thenCompose 系列方法，這個(gè)系列的方法會(huì)新創(chuàng)建出一個(gè)子流程，最終結(jié)果和 thenApply 系列是相同的。

CompletionStage<R> thenApply(fn);
CompletionStage<R> thenApplyAsync(fn);
CompletionStage<Void> thenAccept(consumer);
CompletionStage<Void> thenAcceptAsync(consumer);
CompletionStage<Void> thenRun(action);
CompletionStage<Void> thenRunAsync(action);
CompletionStage<R> thenCompose(fn);
CompletionStage<R> thenComposeAsync(fn);

通過下面的示例代碼，你可以看一下 thenApply() 方法是如何使用的。首先通過 supplyAsync() 啟動(dòng)一個(gè)異步流程，之后是兩個(gè)串行操作，整體看起來還是挺簡單的。不過，雖然這是一個(gè)異步流程，但任務(wù)①②③卻是串行執(zhí)行的，②依賴①的執(zhí)行結(jié)果，③依賴②的執(zhí)行結(jié)果。

CompletableFuture<String> f0 = 
 CompletableFuture.supplyAsync(
  () -> "Hello World")   //①
 .thenApply(s -> s + " QQ") //②
 .thenApply(String::toUpperCase);//③

System.out.println(f0.join());
// 輸出結(jié)果
HELLO WORLD QQ

2. 描述 AND 匯聚關(guān)系

CompletionStage 接口里面描述 AND 匯聚關(guān)系，主要是 thenCombine、thenAcceptBoth 和 runAfterBoth 系列的接口，這些接口的區(qū)別也是源自 fn、consumer、action 這三個(gè)核心參數(shù)不同。

CompletionStage<R> thenCombine(other, fn);
CompletionStage<R> thenCombineAsync(other, fn);
CompletionStage<Void> thenAcceptBoth(other, consumer);
CompletionStage<Void> thenAcceptBothAsync(other, consumer);
CompletionStage<Void> runAfterBoth(other, action);
CompletionStage<Void> runAfterBothAsync(other, action);

3. 描述 OR 匯聚關(guān)系

CompletionStage 接口里面描述 OR 匯聚關(guān)系，主要是 applyToEither、acceptEither 和 runAfterEither 系列的接口，這些接口的區(qū)別也是源自 fn、consumer、action 這三個(gè)核心參數(shù)不同。

CompletionStage applyToEither(other, fn);
CompletionStage applyToEitherAsync(other, fn);
CompletionStage acceptEither(other, consumer);
CompletionStage acceptEitherAsync(other, consumer);
CompletionStage runAfterEither(other, action);
CompletionStage runAfterEitherAsync(other, action);

CompletableFuture<String> f1 = 
 CompletableFuture.supplyAsync(()->{
  int t = getRandom(5, 10);
  sleep(t, TimeUnit.SECONDS);
  return String.valueOf(t);
});

CompletableFuture<String> f2 = 
 CompletableFuture.supplyAsync(()->{
  int t = getRandom(5, 10);
  sleep(t, TimeUnit.SECONDS);
  return String.valueOf(t);
});

CompletableFuture<String> f3 = 
 f1.applyToEither(f2,s -> s);

System.out.println(f3.join());

4. 異常處理

雖然上面我們提到的 fn、consumer、action 它們的核心方法都不允許拋出可檢查異常，但是卻無法限制它們拋出運(yùn)行時(shí)異常 ，例如下面的代碼，執(zhí)行

CompletableFuture<Integer> 
 f0 = CompletableFuture.
  .supplyAsync(()->(7/0))
  .thenApply(r->r*10);
System.out.println(f0.join());

CompletionStage 接口給我們提供的方案非常簡單，比 try{}catch{}還要簡單，下面是相關(guān)的方法，使用這些方法進(jìn)行異常處理和串行操作是一樣的，都支持鏈?zhǔn)骄幊谭绞健?/p>

CompletionStage exceptionally(fn);
CompletionStage<R> whenComplete(consumer);
CompletionStage<R> whenCompleteAsync(consumer);
CompletionStage<R> handle(fn);
CompletionStage<R> handleAsync(fn);

下面的示例代碼展示了如何使用 exceptionally() 方法來處理異常，exceptionally() 的使用非常類似于 try{}catch{}中的 catch{}，但是由于支持鏈?zhǔn)骄幊谭绞?，所以相?duì)更簡單。

whenComplete() 和 handle() 系列方法就類似于 try{}finally{}中的 finally{}，無論是否發(fā)生異常都會(huì)執(zhí)行 whenComplete() 中的回調(diào)函數(shù) consumer 和 handle() 中的回調(diào)函數(shù) fn。

whenComplete() 和 handle() 的區(qū)別在于 whenComplete() 不支持返回結(jié)果，而 handle() 是支持返回結(jié)果的。

CompletableFuture<Integer> 
 f0 = CompletableFuture
  .supplyAsync(()->7/0))
  .thenApply(r->r*10)
  .exceptionally(e->0);
System.out.println(f0.join());

總結(jié)

不過最近幾年，伴隨著 ReactiveX 的發(fā)展（Java 語言的實(shí)現(xiàn)版本是 RxJava），回調(diào)地獄已經(jīng)被完美解決了，Java 語言也開始官方支持異步編程：在 1.8 版本提供了 CompletableFuture，在 Java 9 版本則提供了更加完備的 Flow API，異步編程目前已經(jīng)完全工業(yè)化。

CompletableFuture 已經(jīng)能夠滿足簡單的異步編程需求，如果你對(duì)異步編程感興趣，可以重點(diǎn)關(guān)注 RxJava 這個(gè)項(xiàng)目，利用 RxJava，即便在 Java 1.6 版本也能享受異步編程的樂趣。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持創(chuàng)新互聯(lián)。

當(dāng)前標(biāo)題：Java并發(fā)CompletableFuture異步編程的實(shí)現(xiàn)
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