作者：京东科技 张天赐
前言
JDK 8 是一次重大的版本升级，新增了非常多的特性，其中之一便是 CompletableFuture。自此从 JDK 层面真正意义上的支持了基于事件的异步编程范式，弥补了 Future 的缺陷。
在我们的日常优化中，最常用手段便是多线程并行执行。这时候就会涉及到 CompletableFuture 的使用。
常见使用方式
下面举例一个常见场景。
假如我们有两个 RPC 远程调用服务，我们需要获取两个 RPC 的结果后，再进行后续逻辑处理。
public static void main(String[] args) { // 任务 A，耗时 2 秒 int resultA = compute(1); // 任务 B，耗时 2 秒 int resultB = compute(2);
// 后续业务逻辑处理 System.out.println(resultA + resultB);}
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可以预估到，串行执行最少耗时 4 秒，并且 B 任务并不依赖 A 任务结果。
对于这种场景，我们通常会选择并行的方式优化，Demo 代码如下：
public static void main(String[] args) { // 仅简单举例，在生产代码中可别这么写！
// 统计耗时的函数 time(() -> { CompletableFuture<Integer> result = Stream.of(1, 2) // 创建异步任务 .map(x -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> compute(x), executor)) // 聚合 .reduce(CompletableFuture.completedFuture(0), (x, y) -> x.thenCombineAsync(y, Integer::sum, executor));
// 等待结果 try { System.out.println("结果：" + result.get()); } catch (ExecutionException | InterruptedException e) { System.err.println("任务执行异常"); } });}
输出：[async-1]: 任务执行开始：1[async-2]: 任务执行开始：2[async-1]: 任务执行完成：1[async-2]: 任务执行完成：2结果：3耗时：2 秒
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可以看到耗时变成了 2 秒。
存在的问题
分析
看上去 CompletableFuture 现有功能可以满足我们诉求。但当我们引入一些现实常见情况时，一些潜在的不足便暴露出来了。
compute(x) 如果是一个根据入参查询用户某类型优惠券列表的任务，我们需要查询两种优惠券并组合在一起返回给上游。假如上游要求我们 2 秒内处理完毕并返回结果，但 compute(x) 耗时却在 0.5 秒 ~ 无穷大波动。这时候我们就需要把耗时过长的 compute(x) 任务结果放弃，仅处理在指定时间内完成的任务，尽可能保证服务可用。
那么以上代码的耗时由耗时最长的服务决定，无法满足现有诉求。通常我们会使用 get(long timeout, TimeUnit unit) 来指定获取结果的超时时间，并且我们会给 compute(x) 设置一个超时时间，达到后自动抛异常来中断任务。
public static void main(String[] args) { // 仅简单举例，在生产代码中可别这么写！
// 统计耗时的函数 time(() -> { List<CompletableFuture<Integer>> result = Stream.of(1, 2) // 创建异步任务，compute(x) 超时抛出异常 .map(x -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> compute(x), executor)) .toList();
// 等待结果 int res = 0; for (CompletableFuture<Integer> future : result) { try { res += future.get(2, SECONDS); } catch (ExecutionException | InterruptedException | TimeoutException e) { System.err.println("任务执行异常或超时"); } }
System.out.println("结果：" + res); });}
输出：[async-2]: 任务执行开始：2[async-1]: 任务执行开始：1[async-1]: 任务执行完成：1任务执行异常或超时结果：1耗时：2 秒
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可以看到，只要我们能够给 compute(x) 设置一个超时时间将任务中断，结合 get、getNow 等获取结果的方式，就可以很好地管理整体耗时。
那么问题也就转变成了，如何给任务设置异步超时时间呢？
现有做法
当异步任务是一个 RPC 请求时，我们可以设置一个 JSF 超时，以达到异步超时效果。
当请求是一个 R2M 请求时，我们也可以控制 R2M 连接的最大超时时间来达到效果。
这么看好像我们都是在依赖三方中间件的能力来管理任务超时时间？那么就存在一个问题，中间件超时控制能力有限，如果异步任务是中间件 IO 操作 + 本地计算操作怎么办？
用 JSF 超时举一个具体的例子，反编译 JSF 的获取结果代码如下：
public V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { // 配置的超时时间 timeout = unit.toMillis(timeout); // 剩余等待时间 long remaintime = timeout - (this.sentTime - this.genTime); if (remaintime <= 0L) { if (this.isDone()) { // 反序列化获取结果 return this.getNow(); } } else if (this.await(remaintime, TimeUnit.MILLISECONDS)) { // 等待时间内任务完成，反序列化获取结果 return this.getNow(); }
this.setDoneTime(); // 超时抛出异常 throw this.clientTimeoutException(false);}
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当这个任务刚好卡在超时边缘完成时，这个任务的耗时时间就变成了超时时间 + 获取结果时间。而获取结果（反序列化）作为纯本地计算操作，耗时长短受 CPU 影响较大。
某些 CPU 使用率高的情况下，就会出现异步任务没能触发抛出异常中断，导致我们无法准确控制超时时间。对上游来说，本次请求全部失败。
解决方式
JDK 9
这类问题非常常见，如大促场景，服务器 CPU 瞬间升高就会出现以上问题。
那么如何解决呢？其实 JDK 的开发大佬们早有研究。在 JDK 9，CompletableFuture 正式提供了 orTimeout、completeTimeout 方法，来准确实现异步超时控制。
public CompletableFuture<T> orTimeout(long timeout, TimeUnit unit) { if (unit == null) throw new NullPointerException(); if (result == null) whenComplete(new Canceller(Delayer.delay(new Timeout(this), timeout, unit))); return this;}
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JDK 9 orTimeout 其实现原理是通过一个定时任务，在给定时间之后抛出异常。如果任务在指定时间内完成，则取消抛异常的操作。
以上代码我们按执行顺序来看下：
首先执行 new Timeout(this)。
static final class Timeout implements Runnable { final CompletableFuture<?> f; Timeout(CompletableFuture<?> f) { this.f = f; } public void run() { if (f != null && !f.isDone()) // 抛出超时异常 f.completeExceptionally(new TimeoutException()); }}
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通过源码可以看到，Timeout 是一个实现 Runnable 的类，run() 方法负责给传入的异步任务通过 completeExceptionally CAS 赋值异常，将任务标记为异常完成。
那么谁来触发这个 run() 方法呢？我们看下 Delayer 的实现。
static final class Delayer { static ScheduledFuture<?> delay(Runnable command, long delay, TimeUnit unit) { // 到时间触发 command 任务 return delayer.schedule(command, delay, unit); }
static final class DaemonThreadFactory implements ThreadFactory { public Thread newThread(Runnable r) { Thread t = new Thread(r); t.setDaemon(true); t.setName("CompletableFutureDelayScheduler"); return t; } }
static final ScheduledThreadPoolExecutor delayer; static { (delayer = new ScheduledThreadPoolExecutor( 1, new DaemonThreadFactory())). setRemoveOnCancelPolicy(true); }}
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Delayer 其实就是一个单例定时调度器，Delayer.delay(new Timeout(this), timeout, unit) 通过 ScheduledThreadPoolExecutor 实现指定时间后触发 Timeout 的 run() 方法。
到这里就已经实现了超时抛出异常的操作。但当任务完成时，就没必要触发 Timeout 了。因此我们还需要实现一个取消逻辑。
static final class Canceller implements BiConsumer<Object, Throwable> { final Future<?> f; Canceller(Future<?> f) { this.f = f; } public void accept(Object ignore, Throwable ex) { if (ex == null && f != null && !f.isDone()) // 3 未触发抛异常任务则取消 f.cancel(false); }}
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当任务执行完成，或者任务执行异常时，我们也就没必要抛出超时异常了。因此我们可以把 delayer.schedule(command, delay, unit) 返回的定时超时任务取消，不再触发 Timeout。 当我们的异步任务完成，并且定时超时任务未完成的时候，就是我们取消的时机。因此我们可以通过 whenComplete(BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action) 来完成。
Canceller 就是一个 BiConsumer 的实现。其持有了 delayer.schedule(command, delay, unit) 返回的定时超时任务，accept(Object ignore, Throwable ex) 实现了定时超时任务未完成后，执行 cancel(boolean mayInterruptIfRunning) 取消任务的操作。
JDK 8
如果我们使用的是 JDK 9 或以上，我们可以直接用 JDK 的实现来完成异步超时操作。那么 JDK 8 怎么办呢？
其实我们也可以根据上述逻辑简单实现一个工具类来辅助。
以下是我们营销自己的工具类以及用法，贴出来给大家作为参考，大家也可以自己写的更优雅一些~
调用方式：
CompletableFutureExpandUtils.orTimeout(异步任务, 超时时间, 时间单位);
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工具类源码：
package com.jd.jr.market.reduction.util;
import com.jdpay.market.common.exception.UncheckedException;
import java.util.concurrent.*;import java.util.function.BiConsumer;
/** * CompletableFuture 扩展工具 * * @author zhangtianci7 */public class CompletableFutureExpandUtils {
/** * 如果在给定超时之前未完成，则异常完成此 CompletableFuture 并抛出 {@link TimeoutException} 。 * * @param timeout 在出现 TimeoutException 异常完成之前等待多长时间，以 {@code unit} 为单位 * @param unit 一个 {@link TimeUnit}，结合 {@code timeout} 参数，表示给定粒度单位的持续时间 * @return 入参的 CompletableFuture */ public static <T> CompletableFuture<T> orTimeout(CompletableFuture<T> future, long timeout, TimeUnit unit) { if (null == unit) { throw new UncheckedException("时间的给定粒度不能为空"); } if (null == future) { throw new UncheckedException("异步任务不能为空"); } if (future.isDone()) { return future; }
return future.whenComplete(new Canceller(Delayer.delay(new Timeout(future), timeout, unit))); }
/** * 超时时异常完成的操作 */ static final class Timeout implements Runnable { final CompletableFuture<?> future;
Timeout(CompletableFuture<?> future) { this.future = future; }
public void run() { if (null != future && !future.isDone()) { future.completeExceptionally(new TimeoutException()); } } }
/** * 取消不需要的超时的操作 */ static final class Canceller implements BiConsumer<Object, Throwable> { final Future<?> future;
Canceller(Future<?> future) { this.future = future; }
public void accept(Object ignore, Throwable ex) { if (null == ex && null != future && !future.isDone()) { future.cancel(false); } } }
/** * 单例延迟调度器，仅用于启动和取消任务，一个线程就足够 */ static final class Delayer { static ScheduledFuture<?> delay(Runnable command, long delay, TimeUnit unit) { return delayer.schedule(command, delay, unit); }
static final class DaemonThreadFactory implements ThreadFactory { public Thread newThread(Runnable r) { Thread t = new Thread(r); t.setDaemon(true); t.setName("CompletableFutureExpandUtilsDelayScheduler"); return t; } }
static final ScheduledThreadPoolExecutor delayer;
static { delayer = new ScheduledThreadPoolExecutor(1, new DaemonThreadFactory()); delayer.setRemoveOnCancelPolicy(true); } }}
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参考资料
JEP 266: JDK 9 并发包更新提案
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