JUC并发编程之CompletableFuture详解

末蓝、 2023-10-13 23:13 251阅读 0赞

**目录**

1.Future接口

1.1 Future介绍

1.1.1 FutureTask

1.1.2 代码示例

2. CompletableFuture

2.1 基本概念

2.2 代码示例

2.2.1 创建CompletableFuture

2.2.2 函数式接口（补充）

2.2.3 异步任务组合

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## 1.Future接口 ##

### 1.1 Future介绍 ###

JUC并发编程中的**`Future`**接口是Java 5中引入的一种异步编程机制，用于表示一个可能在未来完成的计算结果。它允许我们提交一个任务给线程池或其他执行器执行，并且可以通过**`Future`**对象获取任务执行的结果或者判断任务是否已经完成。

**Future接口的基本方法如下：**

1.  **`isDone()`:** 判断任务是否已经完成。
2.  **`get()`:** 获取任务的计算结果，如果任务还未完成，调用该方法将会阻塞，直到任务完成并返回结果。
3.  **`get(long timeout, TimeUnit unit)`:** 获取任务的计算结果，但最多等待指定时间，如果任务在指定时间内没有完成，则会抛出超时异常。
4.  **`cancel(boolean mayInterruptIfRunning)`:** 尝试取消任务的执行，如果任务已经开始执行，参数**`mayInterruptIfRunning`**决定是否中断任务。
5.  **`isCancelled()`:** 判断任务是否已经被取消。

#### 1.1.1 FutureTask ####

**`FutureTask`**是Java并发编程中的一个类，它实现了**`Future`**接口，并且是**`Runnable`**的实现类。**`FutureTask`**可以用来包装一个Callable或Runnable任务，使得我们可以在另一个线程中执行该任务，并且在未来的某个时间点获取任务的结果。**`FutureTask`**提供了一些方法来获取任务的执行结果，以及判断任务是否已经完成或取消。

如下图所示：

![40fbbddd9cc54f7e9d9491ca4ec54312.png][]

![925f8067faba4e07853d416270cb28d6.png][]

**`FutureTask`**实现了**`Future`**接口和**`Runnable`**接口，因此可以调用**`Future`**和**`Runnable`**的方法。

#### 1.1.2 代码示例 ####

import java.util.concurrent.*;
    
    public class FutureExample {
        public static void main(String[] args) {
            // 创建一个线程池
            ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
    
            // 提交一个异步任务
            Future<String> future = executor.submit(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(2000); // 模拟耗时任务
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return "异步任务执行完成";
            });
    
            System.out.println("异步任务已经提交");
    
            // 等待任务完成，并获取结果
            try {
                String result = future.get(); // 这里会阻塞，直到任务完成并返回结果
                System.out.println(result);
            } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
                e.printStackTrace();
            }
    
            // 关闭线程池
            executor.shutdown();
        }
    }

在上面的示例中，我们使用**`ExecutorService`**创建一个拥有一个线程的线程池，然后通过**`submit()`**方法提交一个简单的异步任务，该任务在执行过程中睡眠2秒钟，然后返回一个字符串。接着，我们使用**`Future`**的**`get()`**方法获取任务的执行结果，这里**`get()`**方法将会阻塞直到任务完成并返回结果。

需要注意的是，**`Future`**的**`get()`**方法在获取结果时会阻塞，这可能会导致程序在等待过程中无法执行其他任务。为了更好地处理异步任务，Java 8引入了**`CompletableFuture`**，它提供了更多灵活的方法来处理异步任务和任务组合，可以更好地解决**`Future`**在并发编程中的一些限制。

## 2. CompletableFuture ##

### 2.1 基本概念 ###

**`CompletableFuture`**是Java并发工具包（Java Util Concurrent，JUC）中的一部分，自Java 8版本引入，用于简化异步编程和并发任务的处理。它是**`java.util.concurrent`**包中的一个类，提供了强大的功能来处理异步操作和任务之间的依赖关系。

**`CompletableFuture`**是一个可完成或可编程的Future。它可以被手动完成，也可以用于串联多个异步操作，并在操作完成时触发后续的操作。它提供了一系列方法来组合和转换异步任务，例如**`thenApply()`, `thenAccept()`, `thenCombine()`, `thenCompose()`,** `thenRun()等，`**`CompletableFuture`**提供了一种类似观察者模式的机制，可以让任务执行完成后通知监听的一方。

在Java8中，CompletableFuture提供了非常强大的Future的扩展功能，可以帮助我们简化异步编程的复杂性,并且提供了函数式编程的能力，可以通过回调的方式处理计算结果，也提供了转换和组合CompletableFuture的方法。  
它可能代表一个明确完成的Future，也有可能代表一个完成阶段（CompletionStage )，它支持在计算完成以后触发一些函数或执行某些动作。它实现了Future和CompletionStage接口。

如下图：

![eacf0ba4d5c14cf5a4527b039b8fb573.png][]

### 2.2 代码示例 ###

#### 2.2.1 创建CompletableFuture ####

**`CompletableFuture.runAsync()`**: 创建一个没有返回值的CompletableFuture，用于执行异步任务。

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(1);
            CompletableFuture<Void> completableFuture = CompletableFuture.runAsync(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            },threadPool);

**`CompletableFuture.supplyAsync()`:** 创建一个具有返回值的CompletableFuture，用于执行异步计算。

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(1);
      CompletableFuture<String> stringCompletableFuture = 
      CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                return "hello";
            }, threadPool);
            System.out.println(stringCompletableFuture.get());
            threadPool.shutdown();

**`CompletableFuture`**`是Future的功能加强版，减少阻塞和轮询，可以传入回调对象，当异步任务完成后或发生异常时，自动调用回调对象的回调方法。代码如下:`

CompletableFuture<String> stringCompletableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                return "hello";
            }).whenComplete((v,e)->{ //v表示返回的结果，e为异常，没有异常的时候e为null
                if(e==null){
                    System.out.println("异步线程完成任务返回结果为 "+v);
                }
            }).exceptionally(e->{
                e.printStackTrace();
                System.out.println("goods");
                return null;
            });

在这里我们未使用我们自定义的线程池，这里会自动使用默认的线程池。

注意：当我们在异步线程的逻辑处理中加上Thread.sleep(1000)代码后再次运行会发现如下面的结果：

![ac60093d5e9449bba70e49fe3db2cc92.png][]

因为主线程是用户线程处理速度太快，**`CompletableFuture`**`默认使用的线程池会立刻关闭`**`。所以推荐使用自定义线程池。`**

#### **`2.2.2 函数式接口（补充）`** ####

在这里用到不少函数式接口，故在这里进行简单介绍一下。

Java函数式接口是Java 8版本中引入的一个特性，它是一种只包含一个抽象方法的接口。函数式接口可以被认为是用来支持Lambda表达式的接口，Lambda表达式可以被转换为函数式接口的实例。

Java函数式接口有以下特点：

1.  只包含一个抽象方法：函数式接口只能有一个未实现的抽象方法。可以有默认方法和静态方法，但只有一个抽象方法。
2.  **@FunctionalInterface**注解：为了确保一个接口是函数式接口，可以使用**@FunctionalInterface**注解进行标记。如果接口不符合函数式接口的定义，编译器会给出错误提示。

如下图：

![1c881aa3137f42a5b0dfc7e8d86afd2a.png][]

#### 2.2.3 异步任务组合 ####

**`thenApply()`: 对前一个阶段的计算结果进行转换**

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
        .thenApply(s -> s + " World");

**`thenAccept()`: 处理前一个阶段的计算结果，但不返回结果。**

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
        .thenAccept(s -> System.out.println(s + " World"));

**thenRun(): 在上一个阶段的任务完成后执行指定的动作，没有返回值。**

CompletableFuture<Void> hello = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
                    .thenRun(() -> {
                        System.out.println("hello");
                    });

**`thenCombine()`: 组合两个独立的CompletableFuture的结果。**

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
    CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> " World");
    CompletableFuture<String> combinedFuture = future1.thenCombine(future2, (s1, s2) -> s1 + s2);

**handle(): 因为thenApply方法是需要存在依赖关系，所以当前步骤错了，就不会继续往下一步执行，而handle可以**

CompletableFuture.supplyAsync(()->{
                System.out.println("执行第一步");
                Integer i=1/0;
                return 1;
            }).handle((v,e)->{
                System.out.println("执行第二步");
                return v+2;
            }).handle((v,e)->{
                System.out.println("执行第三步");
                return v+3;
            }).whenComplete((v,e)->{
                if (e == null) {
                    System.out.println("最后结果:"+v);
                }
            }).exceptionally(e->{
                e.printStackTrace();
                return null;
            });
    
        }

**`applyToEither():`是`CompletableFuture`类中的一个方法，用于处理两个`CompletableFuture`的结果，只要其中任意一个完成就可以执行指定的转换函数。`applyToEither`方法在异步编程中常用于多个任务竞争的场景，我们希望只要其中一个任务先完成就可以对其结果进行处理，而不需要等待其他任务的完成。**

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return "Future 1";
            });
    
            CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return "Future 2";
            });
    
            CompletableFuture<String> resultFuture = future1.applyToEither(future2, s -> s + " wins!");
    
            resultFuture.thenAccept(System.out::println); // 输出较快的任务的结果

**总结（摘录网图）**

![watermark,type\_d3F5LXplbmhlaQ,shadow\_50,text\_Q1NETiBAc2VybW9ubGl6aGk=,size\_20,color\_FFFFFF,t\_70,g\_se,x\_16\#pic\_center][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBAc2VybW9ubGl6aGk_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]

**注意：**

> **1.** 没有传入自定义线程池，都用默认线程池ForkJoinPool;  
> **2.** 如果你执行第一个任务的时候，传入了一个自定义线程池:  
> 调用thenRun方法执行第二个任务时，则第二个任务和第一个任务是共用同一个线程池。  
> 调用thenRunAsync执行第二个任务时，则第一个任务使用的是你自己传入的线程池，第二个任务使用的是ForkJoinPool线程池l  
> **备注**  
> 有可能处理太快，系统优化切换原则，直接使用main线程处理
> 
> 其它如: thenAccept和thenAcceptAsync，thenApply和thenApplyAsync等，它们之间的区别也是同理。

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