Java并发编程深度解析：掌握CompletableFuture的高效异步模式

引言

在现代Java应用开发中，处理异步操作和并发任务是一个常见且关键的挑战。自Java 8引入CompletableFuture以来，它成为了处理异步编程的强大工具，每个Java开发者都应该理解并会使用，如果没用过或是不会用，那就太不像话了😂😂😂，记得点赞，收藏，1小时即可学会，应用在工作中的任意场景！本文将深入探CompletableFuture的功能和使用方法，以及如何利用它来简化复杂的并发任务

目录

• CompletableFuture简介
• 高级功能和方法使用介
• 异步操作的原理介绍
• 结合流（Stream）API使用
• 实际应用场景
• 性能考虑和最佳实践
• 写在最后

1.CompletableFuture简介

CompletableFuture是Java 8中引入的一个类，实现了Future接口并提供了更多的灵活性和控制能力。与传统的Future相比，CompletableFuture支持更复杂的操作组合，异常处理，以及函数式编程风格的方法链

2.高级功能和方法使用介绍

CompletableFuture在Java中提供了一种强大的机制来处理异步编程。它不仅使代码更加简洁，还提高了程序的可读性和可维护性。以下是CompletableFuture的一些高级功能和使用方法，涵盖了创建、操作、组合异步任务，以及异常处理等方面

①创建CompletableFuture

CompletableFuture可以通过多种方式创建。最常见的方法是使用supplyAsync，该方法接收一个Supplier接口，并返回一个CompletableFuture对象，该对象将异步执行提供的任务

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 模拟耗时的异步任务
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new IllegalStateException(e);
    }
    return "异步任务的结果";
});

②异步任务的完成和结果获取

完成异步任务后，需要获取结果时。CompletableFuture提供了get方法来阻塞当前线程，直到结果可用，注意：该方法是同步阻塞的

try {
    String result = future.get(); // 阻塞直到结果可用
    System.out.println(result);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

③异步操作的链接

CompletableFuture支持多种方式来链接异步操作。例如，thenApply方法允许你对异步操作的结果进行处理，并返回一个新的CompletableFuture

CompletableFuture<String> greetingFuture = future.thenApply(
				name -> "Hello, " + name);

④组合多个异步操作

可以组合多个异步操作，无论异步任务之间是否相互依赖。thenCombine和thenCompose是实现组合常用的两种方法

CompletableFuture<String> anotherFuture = CompletableFuture.supplyAsync(
				() -> "异步任务2");
CompletableFuture<String> combinedFuture = future.thenCombine(
		anotherFuture, (result1, result2) -> result1 + " 和 " + result2);

⑤异常处理

CompletableFuture提供了exceptionally方法来处理异常情况

CompletableFuture<String> exceptionHandlingFuture = future.exceptionally(
ex -> "发生错误: " + ex.getMessage());

⑥运行后操作

除了处理返回值，还可以在异步操作完成后执行一些操作，如thenAccept和thenRun

future.thenAccept(result -> System.out.println("结果: " + result));
future.thenRun(() -> System.out.println("异步任务完成"));

⑦allOf等待多个CompletableFuture

allOf方法用于等待一组CompletableFuture任务全部完成，该方法同时会返回一个新的CompletableFuture，该CompletableFuture在所有给定的CompletableFuture对象完成后完成

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(
					() -> "任务1");
CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(
					() -> "任务2");
CompletableFuture<Void> allFutures = CompletableFuture.allOf(future1, future2);

// 等待所有Future完成
allFutures.join();

⑧anyOf在多个CompletableFuture中等待任意一个完成

与allOf相对的是anyOf方法，它在给定的多个CompletableFuture中任意一个完成时就完成。非常适用于执行多个相似任务并只需要其中一个结果的场景

CompletableFuture<String> future3 = CompletableFuture.supplyAsync(
					() -> "任务3");
CompletableFuture<String> future4 = CompletableFuture.supplyAsync(
					() -> "任务4");
CompletableFuture<Object> anyFuture = CompletableFuture.anyOf(future3, future4);

// 获取首个完成任务的结果
String result = (String) anyFuture.join();

⑨超时处理

在CompletableFuture中处理超时是一个非常基本的需求。在Java 9之后引入了orTimeout和completeOnTimeout方法来简化超时处理，很多公司可能还在Java8(有点遗憾)

CompletableFuture<String> timeoutFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2); // 模拟长时间任务
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new IllegalStateException(e);
    }
    return "完成任务";
}).orTimeout(1, TimeUnit.SECONDS); // 设置1秒超时

try {
    timeoutFuture.get();
} catch (TimeoutException e) {
    System.out.println("任务超时");
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

3.异步操作的原理介绍

CompletableFuture在Java中提供了一种强大的异步编程机制。要理解其工作原理，需要深入了解它是如何在Java的并发框架中实现异步操作的

①异步执行机制

CompletableFuture的异步操作依赖于Java的Executor框架。创建一个CompletableFuture时，可以指定一个Executor来执行异步任务。如果没有指定，将使用默认的ForkJoinPool，这是Java 7中引入的一个轻量级并行框架

Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 异步任务代码
}, executor);

在这个示例中，异步任务将在指定的线程池中执行，而不是在默认的ForkJoinPool中

②异步任务的调度

CompletableFuture的异步任务调度是基于事件驱动的。当一个异步任务完成时，它会触发事件，这些事件可以用来触发更多的异步操作，如thenApply, thenAccept等方法定义的操作，其调度的流程图如下：

具体的步骤详解：

• 任务提交：当一个CompletableFuture任务被提交到Executor时，开始异步执行
• 任务执行：任务在Executor提供的线程中异步执行。执行过程是非阻塞的，并且允许其他任务并行执行
• 完成事件：任务无论是正常完成还是异常终止，都会触发一个“完成事件”
• 回调触发：根据CompletableFuture的链式调用，这个完成事件会触发后续的回调操作，比如thenApply, thenAccept或exceptionally等
• 结果传递：每个回调函数都可以接收到前一个任务的结果，并根据这个结果执行操作，然后将新的结果传递到链中的下一个回调
• 链式处理：这个过程在CompletableFuture链中持续进行，直到所有相关的异步操作和回调都被执行

③完成机制和回调

CompletableFuture提供了一系列方法来显式地完成一个Future或者在Future完成时触发回调。例如，complete方法可以用来手动设置Future的结果，而thenApply等方法则在Future完成时应用一个函数：

CompletableFuture<String> future = new CompletableFuture<>();
future.thenApply(result -> result.toUpperCase()) // 在Future完成时应用函数
      .thenAccept(result -> System.out.println(result)); // 最终处理结果

future.complete("async result"); // 手动完成Future

④异常处理

在异步编程中，异常处理非常重要。CompletableFuture通过exceptionally方法提供了一种优雅的方式来处理异步操作中的异常。这样就可以在链式调用中直接处理异常，而不需要在获取Future结果的时候

4.结合流（Stream）API使用

CompletableFuture与Java 8引入的流（Stream）API结合使用，可以提供强大的数据处理能力，特别是在处理异步操作和集合时。以下是一些如何将CompletableFuture与流API结合使用的示例

①异步操作的流处理

可以使用流API来处理CompletableFuture的集合。例如，List<CompletableFuture<String>>，这样一个list，希望等待所有Future完成，然后处理所有结果

List<CompletableFuture<String>> futuresList = Arrays.asList(
    CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Task 1"),
    CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Task 2"),
    CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Task 3")
);

CompletableFuture<Void> allFutures = CompletableFuture.allOf(
    futuresList.toArray(new CompletableFuture[0])
);

CompletableFuture<List<String>> allFuturesResult = allFutures.thenApply(v ->
    futuresList.stream()
        .map(CompletableFuture::join)
        .collect(Collectors.toList())
);

这个例子中，allOf用于等待所有Future完成，然后使用流API来收集结果

②流中的异步操作

还可以在流的处理过程中使用CompletableFuture来执行异步操作。例如，可以将一个对象的流转换为异步操作的流

Copy code
List<String> messages = Arrays.asList("Hello", "World", "Async", "Stream");
List<CompletableFuture<String>> futures = messages.stream()
    .map(msg -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> msg.toUpperCase()))
    .collect(Collectors.toList());

这个例子中，每个字符串都通过一个异步操作转换为大写

③流操作的异步组合

使用CompletableFuture的thenCompose方法，可以在流中异步地组合多个操作

List<String> urls = Arrays.asList("http://example.com", "http://example.org", "http://example.net");
CompletableFuture<List<String>> contentsFuture = urls.stream()
    .map(url -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> downloadContent(url)))
    .reduce(CompletableFuture.completedFuture(new ArrayList<>()),
        (acc, future) -> acc.thenCompose(list -> future.thenApply(
        content -> {
            list.add(content);
            return list;
        }))
    );

将CompletableFuture与流API结合使用，可以在处理集合和异步操作时提供更高的效率。这种结合使得编写并行和异步代码更加简洁和直观，特别是在需要处理大量数据的时候

5.实际应用场景

CompletableFuture作为Java中的一个强大工具，可以在多种实际应用场景中发挥重要作用。以下是一些典型的使用场景，CompletableFuture如何解决实际工作当中的问题

①异步API调用

在现代微服务架构中，异步API调用变得越来越普遍。CompletableFuture可以用于优雅地处理这些异步请求

public CompletableFuture<User> getUserAsync(String userId) {
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> userService.getUserById(userId));
}

public CompletableFuture<Order> getOrderAsync(String orderId) {
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> orderService.getOrderById(orderId));
}

// 使用
CompletableFuture<User> userFuture = getUserAsync("user123");
CompletableFuture<Order> orderFuture = getOrderAsync("order456");

CompletableFuture.allOf(userFuture, orderFuture).thenRun(() -> {
    User user = userFuture.join();
    Order order = orderFuture.join();
    // 处理用户和订单信息
});

在这个例子中，并行地调用两个服务，并在两个调用都完成后处理结果

②数据库读写的并行化

在处理数据库操作时，CompletableFuture可以用来并行化查询，从而提高性能

public CompletableFuture<List<Product>> getProductsAsync() {
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> productRepository.findAll());
}

public CompletableFuture<List<Customer>> getCustomersAsync() {
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> customerRepository.findAll());
}

// 使用
CompletableFuture<List<Product>> productsFuture = getProductsAsync();
CompletableFuture<List<Customer>> customersFuture = getCustomersAsync();

productsFuture.thenCombine(customersFuture, (products, customers) -> {
    // 合并产品和客户数据
    return combineData(products, customers);
}).thenAccept(combinedData -> {
    // 处理合并后的数据
});

这个例子展示了如何并行执行两个数据库查询，并在两者都完成后处理数据

③超时降级处理

在执行长时间运行的操作时，超时控制是一个常见的工作情形，比如对方依赖三方服务，服务返回时长不稳定，通常需要超时降级处理。CompletableFuture提供了简单的超时处理机制，对于这种降级处理非常方便(java9)

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 模拟长时间运行的任务
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new IllegalStateException(e);
    }
    return "结果";
}).orTimeout(3, TimeUnit.SECONDS);

future.exceptionally(ex -> {
    // 处理超时，降级
    return "降级结果";
});

在这个例子中，如果任务在指定时间内未完成，将使用默认结果

④异步任务流水线

在一个复杂的业务流程中，我们可能需要将多个异步任务按特定顺序执行，形成一个异步任务流水线

public CompletableFuture<String> processOrder(String orderId) {
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> orderService.validateOrder(orderId))
        .thenCompose(validatedOrder -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> paymentService.processPayment(validatedOrder)))
        .thenCompose(paymentConfirmation -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> shippingService.scheduleDelivery(paymentConfirmation)));
}
// 使用
processOrder("12345").thenAccept(deliveryDetails -> {
    // 处理配送详情
});

在这个示例中，订单首先经过验证，然后处理支付，最后安排配送。每个步骤都是异步执行的，且后一个步骤依赖前一个步骤的结果

6.性能考虑和最佳实践

虽然CompletableFuture提供了强大的异步编程能力，但在使用时需要考虑性能影响，并遵循一些最佳实践以确保高效和可维护的代码。以下是一些关键的性能考虑和最佳实践

①避免过多的线程创建

CompletableFuture通常依赖于线程池来执行异步任务。过多的线程创建和销毁会增加开销，降低性能

• 最佳实践：尽可能根据应用需求创建合适大小的自定义线程池，而不要使用默认的线程池，最好线程池也可以支持动态化及监控

②合理使用异步方法

CompletableFuture提供了许多异步方法，如thenApplyAsync。不过，不必要的异步化可能会导致性能下降和资源浪费

• 最佳实践：仅在确实需要异步执行时使用异步方法。如果后续操作不是计算密集型或不依赖于I/O操作，考虑使用同步即。不要为了异步而异步，因为技术最终的目的都是为了提高性能，解决问题，而不是炫技，引入复杂性，这是程序员必须具备的思维意识

③注意异常处理

异常处理是异步编程中的一个重要方面。不恰当的异常处理可能会导致性能问题，例如，过多的异常创建和捕获

• 最佳实践：使用exceptionally或handle方法优雅地处理异常。避免在CompletableFuture的每个阶段都进行异常检查，不需要在外层再捕获异常

④避免阻塞调用

在CompletableFuture的回调中使用阻塞调用（如Future.get()）会降低性能，并可能导致死锁，因为Future.get()方法是同步阻塞的

• 最佳实践：避免在CompletableFuture的回调链中使用阻塞调用。可以考虑使用thenCompose来处理依赖于其他CompletableFuture结果

⑤资源和任务管理

合理管理资源和任务对于保持CompletableFuture的性能至关重要，避免应异步任务时间过长导致系统因创建过多的线程而OOM，博主曾经都替组内小伙伴定位、解决个这个线上问题，当时是因为下游系统故障

• 最佳实践：确保异步任务在完成时释放所有占用的资源。对于长时间运行的任务，必须考虑实现超时逻辑，比如结合RPC接口的超时时长，结合下游TP99的耗时，最大耗时等等

CompletableFuture是Java并发编程的强大工具，但需要谨慎使用。遵循这些最佳实践可以帮助你避免常见的陷阱，确保你的异步代码既高效又可维护

写在最后

CompletableFuture是Java并发编程工具箱中的一个强大工具。它不仅提供了处理异步任务的灵活性，还引入了许多功能，使得并发编程更加简洁和高效。通过本文的介绍，希望你能更好地理解和利用CompletableFuture来处理你的并发编程需求

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