瓜瓜头条

多线程系列(二十) -CompletableFuture使用详解

2024-03-15 09:31 由 程序员志哥 发表于 #后端开发

一、摘要

在上篇文章中，我们介绍了Future相关的用法，使用它可以获取异步任务执行的返回值。

我们再次回顾一下Future相关的用法。

public class FutureTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        // 创建一个线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);

        // 提交任务并获得Future的实例
        Future<String> future = executor.submit(new Callable<String>() {
            @Override
            public String call() throws Exception {
                // 执行下载某文件任务，并返回文件名称
                System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + " 开始执行下载任务");
                Thread.sleep(200);
                return "xxx.png";
            }
        });

        //模拟主线程其它操作耗时
        Thread.sleep(300);

        // 通过阻塞方式，从Future中获取异步执行返回的结果
        String result = future.get();
        System.out.println("任务执行结果：" +  result);
        System.out.println("总共用时：" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");

        // 任务执行完毕之后，关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

运行结果如下：

thread name:pool-1-thread-1 开始执行下载任务
任务执行结果：xxx.png
总共用时：308ms

如果不采用线程执行，那么总共用时应该会是 200 + 300 = 500 ms，而采用线程来异步执行，总共用时是 308 ms。不难发现，通过Future和线程池的搭配使用，可以有效的提升程序的执行效率。

但是Future对异步执行结果的获取并不是很友好，要么调用阻塞方法get()获取结果，要么轮训调用isDone()方法是否等于true来判断任务是否执行完毕来获取结果，这两种方法都不算很好，因为主线程会被迫等待。

因此，从 Java 8 开始引入了CompletableFuture，它针对Future做了很多的改进，在实现Future接口相关功能之外，还支持传入回调对象，当异步任务完成或者发生异常时，自动调用回调对象方法。

下面我们一起来看看CompletableFuture相关的用法！

二、CompletableFuture 用法介绍

我们还是以上面的例子为例，改用CompletableFuture来实现，内容如下：

public class FutureTest2 {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建异步执行任务
        CompletableFuture<String> cf = CompletableFuture.supplyAsync(FutureTest2::download);

        // 如果执行成功，回调此方法
        cf.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("任务执行成功，返回结果值：" +  result);
        });

        // 如果执行异常，回调此方法
        cf.exceptionally((e) -> {
            System.out.println("任务执行失败，原因：" +  e.getMessage());
            return null;
        });

        //模拟主线程其它操作耗时
        Thread.sleep(300);
    }

    /**
     * 下载某个任务
     * @return
     */
    private static String download(){
        // 执行下载某文件任务，并返回文件名称
        System.out.println("thread name:" +  Thread.currentThread().getName() + " 开始执行下载任务");
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "xxx.png";
    }
}

运行结果如下：

thread name:ForkJoinPool.commonPool-worker-1 开始执行下载任务
任务执行成功，返回结果值：xxx.png

可以发现，采用CompletableFuture类的supplyAsync()方法进行异步编程，代码上简洁了很多，不需要单独创建线程池。

实际上，CompletableFuture也使用了线程池来执行任务，部分核心源码如下：

public class CompletableFuture<T> implements Future<T>, CompletionStage<T> {

    // 判断当前机器 cpu 可用逻辑核心数是否大于1
    private static final boolean useCommonPool = (ForkJoinPool.getCommonPoolParallelism() > 1);
    
    // 默认采用的线程池
    // 如果useCommonPool = true，采用 ForkJoinPool.commonPool 线程池
    // 如果useCommonPool = false，采用 ThreadPerTaskExecutor 执行器
    private static final Executor asyncPool = useCommonPool ?
        ForkJoinPool.commonPool() : new ThreadPerTaskExecutor();

    // ThreadPerTaskExecutor执行器类
    static final class ThreadPerTaskExecutor implements Executor {
        public void execute(Runnable r) { new Thread(r).start(); }
    }


    // 异步执行任务的方法
    public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier) {
        return asyncSupplyStage(asyncPool, supplier);
    }

    // 异步执行任务的方法，支持传入自定义线程池
    public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier,
                                                       Executor executor) {
        return asyncSupplyStage(screenExecutor(executor), supplier);
    }
}

从源码上可以分析出如下几点：

  • 当前机器 cpu 可用逻辑核心数大于 1，默认会采用ForkJoinPool.commonPool()线程池来执行任务
  • 当前机器 cpu 可用逻辑核心数等于 1，默认会采用ThreadPerTaskExecutor类来执行任务，它是个一对一执行器，每提交一个任务会创建一个新的线程来执行
  • 同时也支持用户传入自定义线程池来异步执行任务

其中ForkJoinPool线程池是从 JDK 1.7 版本引入的，它是一个全新的线程池，后面在介绍Fork/Join框架文章中对其进行介绍。

除此之外，CompletableFuture为开发者还提供了几十种方法，以便满足更多的异步任务执行的场景。这些方法包括创建异步任务、任务异步回调、多个任务组合处理等内容，下面我们就一起来学习一下相关的使用方式。

2.1、创建异步任务

CompletableFuture创建异步任务，常用的方法有两个。

  • runAsync()：执行异步任务时，没有返回值
  • supplyAsync()：执行异步任务时，可以带返回值

runAsync()和supplyAsync()方法相关的源码如下：

// 使用默认内置线程池执行任务，根据runnable构建执行任务，无返回值
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable)

// 使用自定义线程池执行任务，根据runnable构建执行任务，无返回值
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor)

// 使用默认内置线程池执行任务，根据supplyAsync构建执行任务，可以带返回值
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier)

// 使用自定义线程池执行任务，根据supplyAsync构建执行任务，可以带返回值
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

两者都支持使用自定义的线程池来执行任务，稍有不同的是supplyAsync()方法的入参使用的是Supplier接口，它表示结果的提供者，该结果返回一个对象且不接受任何参数，支持通过 lambda 语法简写。

下面我们一起来看看相关的使用示例！

2.1.1、runAsync 使用示例
public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<Void> cf = CompletableFuture.runAsync(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("runAsync，执行完毕");
        }
    });
    System.out.println("runAsync，任务执行结果：" + cf.get());
}

输出结果：

runAsync，执行完毕
runAsync，任务执行结果：null
2.1.2、supplyAsync 使用示例
public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync，执行完毕");
        return "hello world";
    });
    System.out.println("supplyAsync，任务执行结果：" + cf.get());
}

输出结果：

supplyAsync，执行完毕
supplyAsync，任务执行结果：hello world

2.2、任务异步回调

当创建的异步任务执行完毕之后，我们希望拿着上一个任务的执行结果，继续执行后续的任务，此时就可以采用回调方法来处理。

CompletableFuture针对任务异步回调做了很多的支持，常用的方法如下：

  • thenRun()/thenRunAsync()：它表示上一个任务执行成功后的回调方法，无入参，无返回值
  • thenAccept()/thenAcceptAsync()：它表示上一个任务执行成功后的回调方法，有入参，无返回值
  • thenApply()/thenApplyAsync()：它表示上一个任务执行成功后的回调方法，有入参，有返回值
  • whenComplete()/whenCompleteAsync()：它表示任务执行完成后的回调方法，有入参，无返回值
  • handle()/handleAsync()：它表示任务执行完成后的回调方法，有入参，有返回值
  • exceptionally()：它表示任务执行异常后的回调方法

下面我们一起来看看相关的使用示例！

2.2.1、thenRun/thenRunAsync

thenRun()/thenRunAsync()方法，都表示上一个任务执行成功后的回调处理，无入参，无返回值。稍有不同的是，thenRunAsync()方法会采用独立的线程池来执行任务。

相关的源码方法如下：

// 默认线程池
private static final Executor asyncPool = useCommonPool ?
        ForkJoinPool.commonPool() : new ThreadPerTaskExecutor();

// 采用与上一个任务的线程池来执行任务
public CompletableFuture<Void> thenRun(Runnable action) {
    return uniRunStage(null, action);
}

// 采用默认线程池来执行任务
public CompletableFuture<Void> thenRunAsync(Runnable action) {
    return uniRunStage(asyncPool, action);
}

从源码上可以清晰的看到，thenRun()/thenRunAsync()方法都调用了uniRunStage()方法，不同的是thenRunAsync()使用了asyncPool参数，也就是默认的线程池；而thenRun()方法使用的是null，底层采用上一个任务的线程池来执行，总结下来就是：

  • 当调用thenRun()方法执行任务时，当前任务和上一个任务都共用同一个线程池
  • 当调用thenRunAsync()方法执行任务时，上一个任务采用自己的线程池来执行；而当前任务会采用默认线程池来执行，比如ForkJoinPool。

thenAccept()/thenAcceptAsync()、thenApply()/thenApplyAsync()、whenComplete()/whenCompleteAsync()、handle()/handleAsync()方法之间的区别也类似，下文不再重复讲解。

下面我们一起来看看thenRun()方法的使用示例。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync，执行完毕");
        return "hello world";
    });

    // 当上一个任务执行成功，会继续回调当前方法
    CompletableFuture<Void> cf2 = cf1.thenRun(() -> {
        System.out.println("thenRun1，执行完毕");

    });

    CompletableFuture<Void> cf3 = cf2.thenRun(() -> {
        System.out.println("thenRun2，执行完毕");
    });


    System.out.println("任务执行结果：" + cf3.get());
}

输出结果：

supplyAsync，执行完毕
thenRun1，执行完毕
thenRun2，执行完毕
任务执行结果：null

如果上一个任务执行异常，是不会回调thenRun()方法的，示例如下：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync，执行完毕");
        if(1 == 1){
            throw new RuntimeException("执行异常");
        }
        return "hello world";
    });

    // 当上一个任务执行成功，会继续回调当前方法
    CompletableFuture<Void> cf1 = cf.thenRun(() -> {
        System.out.println("thenRun1，执行完毕");

    });

    // 监听执行时异常的回调方法
    CompletableFuture<Void> cf2 = cf1.exceptionally((e) -> {
        System.out.println("发生异常，错误信息：" + e.getMessage());
        return null;
    });

    System.out.println("任务执行结果：" + cf2.get());
}

输出结果：

supplyAsync，执行完毕
发生异常，错误信息：java.lang.RuntimeException: 执行异常
任务执行结果：null

可以清晰的看到，thenRun()方法没有回调。

thenAccept()、thenAcceptAsync()、thenApply()、thenApplyAsync()方法也类似，当上一个任务执行异常，不会回调这些方法。

2.2.2、thenAccept/thenAcceptAsync

thenAccept()/thenAcceptAsync()方法，表示上一个任务执行成功后的回调方法，有入参，无返回值。

相关的示例如下。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync，执行完毕");
        return "hello world";
    });

    // 当上一个任务执行成功，会继续回调当前方法
    CompletableFuture<Void> cf2 = cf1.thenAccept((r) -> {
        System.out.println("thenAccept，执行完毕，上一个任务执行结果值：" + r);

    });

    System.out.println("任务执行结果：" + cf2.get());
}

输出结果：

supplyAsync，执行完毕
thenAccept，执行完毕，上一个任务执行结果值：hello world
任务执行结果：null
2.2.3、thenApply/thenApplyAsync

thenApply()/thenApplyAsync()方法，表示上一个任务执行成功后的回调方法，有入参，有返回值。

相关的示例如下。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync，执行完毕");
        return "hello world";
    });

    // 当上一个任务执行成功，会继续回调当前方法
    CompletableFuture<String> cf2 = cf1.thenApply((r) -> {
        System.out.println("thenApply，执行完毕，上一个任务执行结果值：" + r);
        return "gogogo";
    });

    System.out.println("任务执行结果：" + cf2.get());
}

输出结果：

supplyAsync，执行完毕
thenApply，执行完毕，上一个任务执行结果值：hello world
任务执行结果：gogogo
2.2.4、whenComplete/whenCompleteAsync

whenComplete()/whenCompleteAsync()方法，表示任务执行完成后的回调方法，有入参，无返回值。

稍有不同的是：无论任务执行成功还是失败，它都会回调。

相关的示例如下。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync，执行完毕");
        if(1 == 1){
            throw new RuntimeException("执行异常");
        }
        return "hello world";
    });

    // 当任务执行完成，会继续回调当前方法
    CompletableFuture<String> cf2 = cf1.whenComplete((r, e) -> {
        System.out.println("whenComplete，执行完毕，上一个任务执行结果值：" + r + "，异常信息：" + e.getMessage());
    });

    // 监听执行时异常的回调方法
    CompletableFuture<String> cf3 = cf2.exceptionally((e) -> {
        System.out.println("发生异常，错误信息：" + e.getMessage());
        return e.getMessage();
    });

    System.out.println("任务执行结果：" + cf3.get());
}

输出结果：

supplyAsync，执行完毕
whenComplete，执行完毕，上一个任务执行结果值：null，异常信息：java.lang.RuntimeException: 执行异常
发生异常，错误信息：java.lang.RuntimeException: 执行异常
任务执行结果：java.lang.RuntimeException: 执行异常
2.2.5、handle/handleAsync

handle()/handleAsync()方法，表示任务执行完成后的回调方法，有入参，有返回值。

同样的，无论任务执行成功还是失败，它都会回调。

相关的示例如下。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync，执行完毕");
        if(1 == 1){
            throw new RuntimeException("执行异常");
        }
        return "hello world";
    });

    // 当任务执行完成，会继续回调当前方法
    CompletableFuture<String> cf2 = cf1.handle((r, e) -> {
        System.out.println("handle，执行完毕，上一个任务执行结果值：" + r + "，异常信息：" + e.getMessage());
        return "handle";
    });
    
    System.out.println("任务执行结果：" + cf2.get());
}

输出结果：

supplyAsync，执行完毕
handle，执行完毕，上一个任务执行结果值：null，异常信息：java.lang.RuntimeException: 执行异常
任务执行结果：handle
2.2.6、exceptionally

exceptionally()方法，表示任务执行异常后的回调方法。在上文的示例中有所介绍。

最后我们还是简单的看下示例。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync，执行开始");
        if(1 == 1){
            throw new RuntimeException("执行异常");
        }
        return "hello world";
    });

    // 监听执行时异常的回调方法
    CompletableFuture<String> cf2 = cf1.exceptionally((e) -> {
        System.out.println("发生异常，错误信息：" + e.getMessage());
        return e.getMessage();
    });

    System.out.println("任务执行结果：" + cf2.get());
}

输出结果：

supplyAsync，执行开始
发生异常，错误信息：java.lang.RuntimeException: 执行异常
任务执行结果：java.lang.RuntimeException: 执行异常

2.3、多个任务组合处理

某些场景下，如果希望获取两个不同的异步执行结果进行组合处理，可以采用多个任务组合处理方式。

CompletableFuture针对多个任务组合处理做了很多的支持，常用的组合方式有以下几种。

  • AND组合：表示将两个CompletableFuture任务组合起来，只有这两个任务都正常执行完了，才会继续执行回调任务，比如thenCombine()方法
  • OR组合：表示将两个CompletableFuture任务组合起来，只要其中一个正常执行完了，就会继续执行回调任务，比如applyToEither方法
  • AllOf组合：可以将多个CompletableFuture任务组合起来，只有所有的任务都正常执行完了，才会继续执行回调任务，比如allOf()方法
  • AnyOf组合：可以将多个CompletableFuture任务组合起来，只要其中一个任务正常执行完了，就会继续执行回调任务，比如anyOf()方法

下面我们一起来看看相关的使用示例！

2.3.1、AND组合

实现AND组合的操作方法有很多，比如runAfterBoth()、thenAcceptBoth()、thenCombine()等方法，它们之间的区别在于：是否带有入参、是否带有返回值。

其中thenCombine()方法支持传入参、带返回值。

相关示例如下：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync1，执行完毕");
        return "supplyAsync1";
    });

    CompletableFuture<String> cf2 = CompletableFuture
            .supplyAsync(() -> {
                System.out.println("supplyAsync2，执行完毕");
                return "supplyAsync2";
            })
            .thenCombine(cf1, (r1, r2) -> {
                System.out.println("r1任务执行结果：" + r1);
                System.out.println("r2任务执行结果：" + r2);
                return r1 + "_" + r2;
            });

    System.out.println("任务执行结果：" + cf2.get());
}

输出结果：

supplyAsync1，执行完毕
supplyAsync2，执行完毕
r1任务执行结果：supplyAsync2
r2任务执行结果：supplyAsync1
任务执行结果：supplyAsync2_supplyAsync1
2.3.2、OR组合

实现OR组合的操作方法有很多，比如runAfterEither()、acceptEither()、applyToEither()等方法，区别同上。

其中applyToEither()方法支持传入参、带返回值。

相关示例如下：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync1，执行完毕");
        return "supplyAsync1";
    });

    CompletableFuture<String> cf2 = CompletableFuture
            .supplyAsync(() -> {
                System.out.println("supplyAsync2，执行完毕");
                return "supplyAsync2";
            })
            .applyToEither(cf1, (r) -> {
                System.out.println("第一个执行成功的任务结果：" + r);
                return r + "_applyToEither";
            });

    System.out.println("任务执行结果：" + cf2.get());
}

输出结果：

supplyAsync1，执行完毕
supplyAsync2，执行完毕
第一个执行成功的任务结果：supplyAsync2
任务执行结果：supplyAsync2_applyToEither
2.3.2、AllOf组合

实现AllOf组合的操作就一个方法allOf()，可以将多个任务进行组合，只有都执行成功才会回调，回调入参为空值。

相关示例如下：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync1，执行完毕");
        return "supplyAsync1";
    });

    CompletableFuture<String> cf2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync2，执行完毕");
        return "supplyAsync2";
    });

    // 将多个任务，进行AND组合
    CompletableFuture<String> cf3 = CompletableFuture
            .allOf(cf1, cf2)
            .handle((r, e) -> {
                System.out.println("所有任务都执行成功，result:" +  r);
                return "over";
            });
    System.out.println(cf3.get());
}

输出结果：

supplyAsync1，执行完毕
supplyAsync2，执行完毕
所有任务都执行成功，result:null
over
2.3.3、AnyOf组合

实现AnyOf组合的操作，同样就一个方法anyOf()，可以将多个任务进行组合，只要一个执行成功就会回调，回调入参有值。

相关示例如下：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 创建异步执行任务
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync1，执行完毕");
        return "supplyAsync1";
    });

    CompletableFuture<String> cf2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync2，执行完毕");
        return "supplyAsync2";
    });

    // 将多个任务，进行AND组合
    CompletableFuture<String> cf3 = CompletableFuture
            .anyOf(cf1, cf2)
            .handle((r, e) -> {
                System.out.println("某个任务执行成功，返回值：" + r);
                return "over";
            });
    System.out.println(cf3.get());
}

输出结果：

supplyAsync1，执行完毕
supplyAsync2，执行完毕
某个任务执行成功，返回值：supplyAsync1
over

三、小结

本文主要围绕CompletableFuture类相关用法进行了一次知识总结，通过CompletableFuture类可以简化异步编程，同时支持多种异步任务，按照条件组合处理，相比其它的并发工具类，操作更加强大、实用。

本篇内容比较多，如果有描述不对的地方，欢迎网友留言指出，希望本文知识总结能帮助到大家。

四、参考

1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581182447650

2.https://juejin.cn/post/6970558076642394142

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