[Java并发-15] CompletableFuture: 异步编程

前面我们不止一次提到，用多线程优化性能，其实不过就是将串行操作变成并行操作。如果仔细观察，你还会发现在串行转换成并行的过程中，一定会涉及到异步化，例如下面的示例代码，现在是串行的，为了提升性能，我们得把它们并行化。

// 以下两个方法都是耗时操作
doBizA();
doBizB();


//创建两个子线程去执行就可以了，两个操作已经被异步化了。
new Thread(()->doBizA())
  .start();
new Thread(()->doBizB())
  .start();  

异步化，是并行方案得以实施的基础，更深入地讲其实就是：利用多线程优化性能这个核心方案得以实施的基础。Java 在 1.8 版本提供了 CompletableFuture 来支持异步编程。

CompletableFuture 的核心优势

为了领略 CompletableFuture 异步编程的优势，这里我们用 CompletableFuture 重新实现前面曾提及的烧水泡茶程序。首先还是需要先完成分工方案，在下面的程序中，我们分了 3 个任务：任务 1 负责洗水壶、烧开水，任务 2 负责洗茶壶、洗茶杯和拿茶叶，任务 3 负责泡茶。其中任务 3 要等待任务 1 和任务 2 都完成后才能开始。这个分工如下图所示。

烧水泡茶分工方案

// 任务 1：洗水壶 -> 烧开水
CompletableFuture<Void> f1 = 
  CompletableFuture.runAsync(()->{
  System.out.println("T1: 洗水壶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

  System.out.println("T1: 烧开水...");
  sleep(15, TimeUnit.SECONDS);
});
// 任务 2：洗茶壶 -> 洗茶杯 -> 拿茶叶
CompletableFuture<String> f2 = 
  CompletableFuture.supplyAsync(()->{
  System.out.println("T2: 洗茶壶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

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

  System.out.println("T2: 拿茶叶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
  return " 龙井 ";
});
// 任务 3：任务 1 和任务 2 完成后执行：泡茶
CompletableFuture<String> f3 = 
  f1.thenCombine(f2, (__, tf)->{
    System.out.println("T1: 拿到茶叶:" + tf);
    System.out.println("T1: 泡茶...");
    return " 上茶:" + tf;
  });
// 等待任务 3 执行结果
System.out.println(f3.join());

void sleep(int t, TimeUnit u) {
  try {
    u.sleep(t);
  }catch(InterruptedException e){}
}
// 一次执行结果：
T1: 洗水壶...
T2: 洗茶壶...
T1: 烧开水...
T2: 洗茶杯...
T2: 拿茶叶...
T1: 拿到茶叶: 龙井
T1: 泡茶...
上茶: 龙井

从整体上来看，我们会发现

1. 无需手工维护线程，没有繁琐的手工维护线程的工作，给任务分配线程的工作也不需要我们关注；
2. 语义更清晰，例如f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 能够清晰地表述“任务 3 要等待任务 1 和任务 2 都完成后才能开始”；
3. 代码更简练并且专注于业务逻辑，几乎所有代码都是业务逻辑相关的。

领略 CompletableFuture 异步编程的优势之后，下面我们详细介绍 CompletableFuture 的使用。

创建 CompletableFuture 对象

创建 CompletableFuture 对象主要靠下面代码中展示的这 4 个静态方法，我们先看前两个。在烧水泡茶的例子中，我们已经使用了runAsync(Runnable runnable) 和 supplyAsync(Supplier<U> supplier)，它们之间的区别是：Runnable 接口的 run() 方法没有返回值，而 Supplier 接口的 get() 方法是有返回值的。

前两个方法和后两个方法的区别在于：后两个方法可以指定线程池参数。

默认情况下 CompletableFuture 会使用公共的 ForkJoinPool 线程池，这个线程池默认创建的线程数是 CPU 的核数（也可以通过 JVM option:-Djava.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism 来设置 ForkJoinPool 线程池的线程数）。如果所有 CompletableFuture 共享一个线程池，那么一旦有任务执行一些很慢的 I/O 操作，就会导致线程池中所有线程都阻塞在 I/O 操作上，从而造成线程饥饿，进而影响整个系统的性能。所以，强烈建议你要根据不同的业务类型创建不同的线程池，以避免互相干扰。

// 使用默认线程池
static CompletableFuture<Void> 
  runAsync(Runnable runnable)
static <U> CompletableFuture<U> 
  supplyAsync(Supplier<U> supplier)
// 可以指定线程池  
static CompletableFuture<Void> 
  runAsync(Runnable runnable, Executor executor)
static <U> CompletableFuture<U> 
  supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)  

创建完 CompletableFuture 对象之后，会自动地异步执行 runnable.run() 方法或者 supplier.get() 方法，对于一个异步操作，你需要关注两个问题：一个是异步操作什么时候结束，另一个是如何获取异步操作的执行结果。因为 CompletableFuture 类实现了 Future 接口，所以这两个问题你都可以通过 Future 接口来解决。另外，CompletableFuture 类还实现了 CompletionStage 接口，这个接口内容实在是太丰富了，在 1.8 版本里有 40 个方法，这些方法我们该如何理解呢？

理解 CompletionStage 接口

可以站在分工的角度类比一下工作流。任务是有时序关系的，比如有串行关系、并行关系、汇聚关系等。这样说可能有点抽象，这里还举前面烧水泡茶的例子，其中洗水壶和烧开水就是串行关系，洗水壶、烧开水和洗茶壶、洗茶杯这两组任务之间就是并行关系，而烧开水、拿茶叶和泡茶就是汇聚关系。

串行关系

并行关系

汇聚关系

CompletionStage 接口可以清晰地描述任务之间的这种时序关系，例如前面提到的
f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 描述的就是一种汇聚关系。烧水泡茶程序中的汇聚关系是一种 AND 聚合关系，这里的 AND 指的是所有依赖的任务（烧开水和拿茶叶）都完成后才开始执行当前任务（泡茶）。既然有 AND 聚合关系，那就一定还有 OR 聚合关系，所谓 OR 指的是依赖的任务只要有一个完成就可以执行当前任务。

最后就是异常，CompletionStage 接口也可以方便地描述异常处理。

下面我们就来一一介绍，CompletionStage 接口如何描述串行关系、AND 聚合关系、OR 聚合关系以及异常处理。

1. 描述串行关系

CompletionStage 接口里面描述串行关系，主要是 thenApply、thenAccept、thenRun 和 thenCompose 这四个系列的接口。

thenApply 系列函数里参数 fn 的类型是接口 Function<T, R>，这个接口里与 CompletionStage 相关的方法是R apply(T t)，这个方法既能接收参数也支持返回值，所以 thenApply 系列方法返回的是CompletionStage<R>。

而 thenAccept 系列方法里参数 consumer 的类型是接口Consumer<T>，这个接口里与 CompletionStage 相关的方法是void accept(T t)，这个方法虽然支持参数，但却不支持回值，所以 thenAccept 系列方法返回的是CompletionStage<Void>

thenRun 系列方法里 action 的参数是 Runnable，所以 action 既不能接收参数也不支持返回值，所以 thenRun 系列方法返回的也是CompletionStage<Void>

这些方法里面 Async 代表的是异步执行 fn、consumer 或者 action。其中，需要你注意的是 thenCompose 系列方法，这个系列的方法会新创建出一个子流程，最终结果和 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);

通过下面的示例代码，你可以看一下 thenApply() 方法是如何使用的。首先通过 supplyAsync() 启动一个异步流程，之后是两个串行操作，整体看起来还是挺简单的。不过，虽然这是一个异步流程，但任务①②③却是串行执行的，②依赖①的执行结果，③依赖②的执行结果。

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

System.out.println(f0.join());
// 输出结果
HELLO WORLD QQ

2. 描述 AND 汇聚关系

CompletionStage 接口里面描述 AND 汇聚关系，主要是 thenCombine、thenAcceptBoth 和 runAfterBoth 系列的接口，这些接口的区别也是源自 fn、consumer、action 这三个核心参数不同。

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 汇聚关系

CompletionStage 接口里面描述 OR 汇聚关系，主要是 applyToEither、acceptEither 和 runAfterEither 系列的接口，这些接口的区别也是源自 fn、consumer、action 这三个核心参数不同。

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. 异常处理

虽然上面我们提到的 fn、consumer、action 它们的核心方法都不允许抛出可检查异常，但是却无法限制它们抛出运行时异常 ，例如下面的代码，执行

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

CompletionStage 接口给我们提供的方案非常简单，比 try{}catch{}还要简单，下面是相关的方法，使用这些方法进行异常处理和串行操作是一样的，都支持链式编程方式。

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

下面的示例代码展示了如何使用 exceptionally() 方法来处理异常，exceptionally() 的使用非常类似于 try{}catch{}中的 catch{}，但是由于支持链式编程方式，所以相对更简单。

whenComplete() 和 handle() 系列方法就类似于 try{}finally{}中的 finally{}，无论是否发生异常都会执行 whenComplete() 中的回调函数 consumer 和 handle() 中的回调函数 fn。

whenComplete() 和 handle() 的区别在于 whenComplete() 不支持返回结果，而 handle() 是支持返回结果的。

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

总结

不过最近几年，伴随着 ReactiveX 的发展（Java 语言的实现版本是 RxJava），回调地狱已经被完美解决了，Java 语言也开始官方支持异步编程：在 1.8 版本提供了 CompletableFuture，在 Java 9 版本则提供了更加完备的 Flow API，异步编程目前已经完全工业化。

CompletableFuture 已经能够满足简单的异步编程需求，如果你对异步编程感兴趣，可以重点关注 RxJava 这个项目，利用 RxJava，即便在 Java 1.6 版本也能享受异步编程的乐趣。