主打一手结果导向；
一、背景
在系统中，异步执行任务，是很常见的功能逻辑，但是在不同的场景中，又存在很多细节差异；
有的任务只强调「执行过程」，并不需要追溯任务自身的「执行结果」，这里并不是指对系统和业务产生的效果，比如定时任务、消息队列等场景；
但是有些任务即强调「执行过程」，又需要追溯任务自身的「执行结果」，在流程中依赖某个异步结果，判断流程是否中断，比如「并行」处理；
【串行处理】整个流程按照逻辑逐步推进，如果出现异常会导致流程中断；
【并行处理】主流程按照逻辑逐步推进，其他「异步」交互的流程执行完毕后，将结果返回到主流程，如果「异步」流程异常，会影响部分结果；
此前在《「订单」业务》的内容中，聊过关于「串行」和「并行」的应用对比，即在订单详情的加载过程中，通过「并行」的方式读取：商品、商户、订单、用户等信息，提升接口的响应时间；
二、Future 接口
1、入门案例
异步是对流程的解耦，但是有的流程中又依赖异步执行的最终结果，此时就可以使用「Future」接口来达到该目的，先来看一个简单的入门案例；
public class ServerTask implements Callable<Integer> { @Override public Integer call() throws Exception { Thread.sleep(2000); return 3; }}public class FutureBase01 { public static void main(String[] args) throws Exception { TimeInterval timer = DateUtil.timer(); // 线程池 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); // 批量任务 List<ServerTask> serverTasks = new ArrayList<>() ; for (int i=0;i<3;i++){ serverTasks.add(new ServerTask()); } List<Future<Integer>> taskResList = executor.invokeAll(serverTasks) ; // 结果输出 for (Future<Integer> intFuture:taskResList){ System.out.println(intFuture.get()); } // 耗时统计 System.out.println("timer...interval = "+timer.interval()); }}
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这里模拟一个场景，以线程池批量执行异步任务，在任务内线程休眠 2 秒，以并行的方式最终获取全部结果，只耗时 2 秒多一点，如果串行的话耗时肯定超过 6 秒；
2、Future 接口
Future 表示异步计算的结果，提供了用于检查计算是否完成、等待计算完成、以及检索计算结果的方法。
【核心方法】
get()：等待任务完成，获取执行结果，如果任务取消会抛出异常；
get(long timeout, TimeUnit unit)：指定等待任务完成的时间，等待超时会抛出异常；
isDone()：判断任务是否完成；
isCancelled()：判断任务是否被取消；
cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：尝试取消此任务的执行，如果任务已经完成、已经取消或由于其他原因无法取消，则此尝试将失败；
【基础用法】
public class FutureBase02 { public static void main(String[] args) throws Exception { // 线程池执行任务 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<String>() { @Override public String call() throws Exception { Thread.sleep(3000); return "task...OK"; } }) ; executor.execute(futureTask); // 任务信息获取 System.out.println("是否完成："+futureTask.isDone()); System.out.println("是否取消："+futureTask.isCancelled()); System.out.println("获取结果："+futureTask.get()); System.out.println("尝试取消："+futureTask.cancel(Boolean.TRUE)); }}
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【FutureTask】
Future 接口的基本实现类，提供了计算的启动和取消、查询计算是否完成以及检索计算结果的方法；
在「FutureTask」类中，可以看到线程异步执行任务时，其中的核心状态转换，以及最终结果写出的方式；
虽然「Future」从设计上，实现了异步计算的结果获取，但是通过上面的案例也可以发现，流程的主线程在执行get()方法时会阻塞，直到最终获取结果，显然对于程序来说并不友好；
在JDK1.8提供「CompletableFuture」类，对「Future」进行优化和扩展；
三、CompletableFuture 类
1、基础说明
「CompletableFuture」类提供函数编程的能力，可以通过回调的方式处理计算结果，并且支持组合操作，提供很多方法来实现异步编排，降低异步编程的复杂度；
「CompletableFuture」实现「Future」和「CompletionStage」两个接口；
【入门案例】
public class CompletableBase01 { public static void main(String[] args) throws Exception { // 线程池 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); // 任务执行 CompletableFuture<String> cft = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "Res...OK"; }, executor); // 结果输出 System.out.println(cft.get()); }}
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2、核心方法
2.1 实例方法
public class Completable01 { public static void main(String[] args) throws Exception { // 线程池 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 1、创建未完成的CompletableFuture，通过complete()方法完成 CompletableFuture<Integer> cft01 = new CompletableFuture<>() ; cft01.complete(99) ;
// 2、创建已经完成CompletableFuture，并且给定结果 CompletableFuture<String> cft02 = CompletableFuture.completedFuture("given...value");
// 3、有返回值，默认ForkJoinPool线程池 CompletableFuture<String> cft03 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {return "OK-3";});
// 4、有返回值，采用Executor自定义线程池 CompletableFuture<String> cft04 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {return "OK-4";},executor);
// 5、无返回值，默认ForkJoinPool线程池 CompletableFuture<Void> cft05 = CompletableFuture.runAsync(() -> {});
// 6、无返回值，采用Executor自定义线程池 CompletableFuture<Void> cft06 = CompletableFuture.runAsync(()-> {}, executor); }}
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2.2 计算方法
public class Completable02 { public static void main(String[] args) throws Exception { // 线程池 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); CompletableFuture<String> cft01 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "OK"; },executor);
// 1、计算完成后，执行后续处理 // cft01.whenComplete((res, ex) -> System.out.println("Result："+res+"；Exe："+ex));
// 2、触发计算，如果没有完成，则get设定的值，如果已完成，则get任务返回值 // boolean completeFlag = cft01.complete("given...value"); // if (completeFlag){ // System.out.println(cft01.get()); // } else { // System.out.println(cft01.get()); // }
// 3、开启新CompletionStage，重新获取线程执行任务 cft01.whenCompleteAsync((res, ex) -> System.out.println("Result："+res+"；Exe："+ex),executor); }}
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2.3 结果获取方法
public class Completable03 { public static void main(String[] args) throws Exception { // 线程池 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); CompletableFuture<String> cft01 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "Res...OK"; },executor); // 1、阻塞直到获取结果 // System.out.println(cft01.get());
// 2、设定超时的阻塞获取结果 // System.out.println(cft01.get(4, TimeUnit.SECONDS));
// 3、非阻塞获取结果，如果任务已经完成，则返回结果，如果任务未完成，返回给定的值 // System.out.println(cft01.getNow("given...value"));
// 4、get获取抛检查异常，join获取非检查异常 System.out.println(cft01.join()); }}
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2.4 任务编排方法
public class Completable04 { public static void main(String[] args) throws Exception { // 线程池 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); CompletableFuture<String> cft01 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("OK-1"); return "OK"; },executor);
// 1、cft01任务执行完成后，执行之后的任务，此处不关注cft01的结果 // cft01.thenRun(() -> System.out.println("task...run")) ;
// 2、cft01任务执行完成后，执行之后的任务，可以获取cft01的结果 // cft01.thenAccept((res) -> { // System.out.println("cft01："+res); // System.out.println("task...run"); // });
// 3、cft01任务执行完成后，执行之后的任务，获取cft01的结果，并且具有返回值 // CompletableFuture<Integer> cft02 = cft01.thenApply((res) -> { // System.out.println("cft01："+res); // return 99 ; // }); // System.out.println(cft02.get());
// 4、顺序执行cft01、cft02 // CompletableFuture<String> cft02 = cft01.thenCompose((res) -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> { // System.out.println("cft01："+res); // return "OK-2"; // })); // cft02.whenComplete((res,ex) -> System.out.println("Result："+res+"；Exe："+ex));
// 5、对比任务的执行效率，由于cft02先完成，所以取cft02的结果 // CompletableFuture<String> cft02 = cft01.applyToEither(CompletableFuture.supplyAsync(() -> { // System.out.println("run...cft02"); // try { // Thread.sleep(3000); // } catch (InterruptedException e) { // e.printStackTrace(); // } // return "OK-2"; // }),(res) -> { // System.out.println("either...result：" + res); // return res; // }); // System.out.println("finally...result：" + cft02.get());
// 6、两组任务执行完成后，对结果进行合并 // CompletableFuture<String> cft02 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "OK-2") ; // String finallyRes = cft01.thenCombine(cft02,(res1,res2) -> { // System.out.println("res1："+res1+"；res2："+res2); // return res1+"；"+res2 ; // }).get(); // System.out.println(finallyRes);
CompletableFuture<String> cft02 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { System.out.println("OK-2"); return "OK-2"; }) ; CompletableFuture<String> cft03 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { System.out.println("OK-3"); return "OK-3"; }) ; // 7、等待批量任务执行完返回 // CompletableFuture.allOf(cft01,cft02,cft03).get();
// 8、任意一个任务执行完即返回 System.out.println("Sign："+CompletableFuture.anyOf(cft01,cft02,cft03).get()); }}
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2.5 异常处理方法
public class Completable05 { public static void main(String[] args) throws Exception { // 线程池 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); CompletableFuture<String> cft01 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { if (1 > 0){ throw new RuntimeException("task...exception"); } return "OK"; },executor);
// 1、捕获cft01的异常信息，并提供返回值 String finallyRes = cft01.thenApply((res) -> { System.out.println("cft01-res：" + res); return res; }).exceptionally((ex) -> { System.out.println("cft01-exe：" + ex.getMessage()); return "error" ; }).get(); System.out.println("finallyRes="+finallyRes);
CompletableFuture<String> cft02 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "OK-2"; },executor); // 2、如果cft02未完成，则get时抛出指定异常信息 boolean exeFlag = cft02.completeExceptionally(new RuntimeException("given...exception")); if (exeFlag){ System.out.println(cft02.get()); } else { System.out.println(cft02.get()); } }}
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3、线程池问题
四、CompletableFuture 原理
1、核心结构
在分析「CompletableFuture」其原理之前，首先看一下涉及的核心结构；
【CompletableFuture】
在该类中有两个关键的字段：「result」存储当前 CF 的结果，「stack」代表栈顶元素，即当前 CF 计算完成后会触发的依赖动作；从上面案例中可知，依赖动作可以没有或者有多个；
【Completion】
依赖动作的封装类；
【UniCompletion】
继承 Completion 类，一元依赖的基础类，「executor」指线程池，「dep」指依赖的计算，「src」指源动作；
【BiCompletion】
继承 UniCompletion 类，二元或者多元依赖的基础类，「snd」指第二个源动作；
2、零依赖
顾名思义，即各个 CF 之间不产生依赖关系；
public class DepZero { public static void main(String[] args) throws Exception { ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); CompletableFuture<String> cft1 = CompletableFuture.supplyAsync(()-> "OK-1",executor); CompletableFuture<String> cft2 = CompletableFuture.supplyAsync(()-> "OK-2",executor); System.out.println(cft1.get()+";"+cft2.get()); }}
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3、一元依赖
即 CF 之间的单个依赖关系；这里使用「thenApply」方法演示，为了看到效果，使「cft1」长时间休眠，断点查看「stack」结构；
public class DepOne { public static void main(String[] args) throws Exception { ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); CompletableFuture<String> cft1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(30000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "OK-1"; },executor);
CompletableFuture<String> cft2 = cft1.thenApply(res -> { System.out.println("cft01-res"+res); return "OK-2" ; }); System.out.println("cft02-res"+cft2.get()); }}
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断点截图：
原理分析：
观察者 Completion 注册到「cft1」，注册时会检查计算是否完成，未完成则观察者入栈，当「cft1」计算完成会弹栈；已完成则直接触发观察者；
可以调整断点代码，让「cft1」先处于完成状态，再查看其运行时结构，从而分析完整的逻辑；
4、二元依赖
即一个 CF 同时依赖两个 CF；这里使用「thenCombine」方法演示；为了看到效果，使「cft1、cft2」长时间休眠，断点查看「stack」结构；
public class DepTwo { public static void main(String[] args) throws Exception { ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); CompletableFuture<String> cft1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(30000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "OK-1"; },executor); CompletableFuture<String> cft2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(30000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "OK-2"; },executor);
// cft3 依赖 cft1和cft2 的计算结果 CompletableFuture<String> cft3 = cft1.thenCombine(cft2,(res1,res2) -> { System.out.println("cft01-res:"+res1); System.out.println("cft02-res:"+res2); return "OK-3" ; }); System.out.println("cft03-res:"+cft3.get()); }}
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断点截图：
原理分析：
在「cft1」和「cft2」未完成的状态下，尝试将 BiApply 压入「cft1」和「cft2」两个栈中，任意 CF 完成时，会尝试触发观察者，观察者检查「cft1」和「cft2」是否都完成，如果完成则执行；
5、多元依赖
即一个 CF 同时依赖多个 CF；这里使用「allOf」方法演示；为了看到效果，使「cft1、cft2、cft3」长时间休眠，断点查看「stack」结构；
public class DepMore { public static void main(String[] args) throws Exception { ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); CompletableFuture<String> cft1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(30000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "OK-1"; },executor); CompletableFuture<String> cft2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(30000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "OK-2"; },executor);
CompletableFuture<String> cft3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(30000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "OK-3"; },executor);
// cft4 依赖 cft1和cft2和cft3 的计算结果 CompletableFuture<Void> cft4 = CompletableFuture.allOf(cft1,cft2,cft3); CompletableFuture<String> finallyRes = cft4.thenApply(tm -> { System.out.println("cft01-res:"+cft1.join()); System.out.println("cft02-res:"+cft2.join()); System.out.println("cft03-res:"+cft3.join()); return "OK-4"; }); System.out.println("finally-res:"+finallyRes.get()); }}
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断点截图：
原理分析：
多元依赖的回调方法除了「allOf」还有「anyOf」，其实现原理都是将依赖的多个 CF 补全为平衡二叉树，从断点图可知会按照树的层级处理，核心结构参考二元依赖即可；
五、参考源码
编程文档：https://gitee.com/cicadasmile/butte-java-note
应用仓库：https://gitee.com/cicadasmile/butte-flyer-parent
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