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CompletableFuture 使用介绍

创建时间: 2019-03-20 00:00:00

本文安利一个 Java8 的工具 CompletableFuture，这是 Java8 带来的一个非常好用的用于异步编程的类。还没使用过的小伙伴，赶紧用起来吧。

本文不介绍它的实现源码，仅介绍它的接口使用，本文也不做它和 RxJava 等其他异步编程框架的对比。

实例化

首先，不管我们要做什么，我们第一步是需要构造出 CompletableFuture 实例。

最简单的，我们可以通过构造函数来进行实例化：

CompletableFuture<String> cf = new CompletableFuture<String>();

这个实例此时还没有什么用，因为它没有实际的任务，我们选择结束这个任务：

// 可以选择在当前线程结束，也可以在其他线程结束
cf.complete("coding...");

因为 CompletableFuture 是一个 Future，我们用 String result = cf.get() 就能获取到结果了。

CompletableFuture 提供了 join() 方法，它的功能和 get() 方法是一样的，都是阻塞获取值，它们的区别在于 join() 抛出的是 unchecked Exception。

上面的代码确实没什么用，下面介绍几个 static 方法，它们使用任务来实例化一个 CompletableFuture 实例。

CompletableFuture.runAsync(Runnable runnable);
CompletableFuture.runAsync(Runnable runnable, Executor executor);

CompletableFuture.supplyAsync(Supplier<U> supplier);
CompletableFuture.supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)
  • runAsync 方法接收的是 Runnable 的实例，意味着它没有返回值
  • supplyAsync 方法对应的是有返回值的情况
  • 这两个方法的带 executor 的变种，表示让任务在指定的线程池中执行，不指定的话，通常任务是在 ForkJoinPool.commonPool() 线程池中执行的。

好的，现在我们已经有了第一个 CompletableFuture 实例了，我们来看接下来的内容。

任务之间的顺序执行

我们先来看执行两个任务的情况，首先执行任务 A，然后将任务 A 的结果传递给任务 B。

其实这里有很多种情况，任务 A 是否有返回值，任务 B 是否需要任务 A 的返回值，任务 B 是否有返回值，等等。有个明确的就是，肯定是任务 A 执行完后再执行任务 B。

我们用下面的 6 行代码来说：

CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenRun(() -> {}); 
CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenAccept(resultA -> {}); 
CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenApply(resultA -> "resultB");

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenRun(() -> {});
CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenAccept(resultA -> {});
CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenApply(resultA -> resultA + " resultB");

前面 3 行代码演示的是，任务 A 无返回值，所以对应的，第 2 行和第 3 行代码中，resultA 其实是 null。

第 4 行用的是 thenRun(Runnable runnable)，任务 A 执行完执行 B，并且 B 不需要 A 的结果。

第 5 行用的是 thenAccept(Consumer action)，任务 A 执行完执行 B，B 需要 A 的结果，但是任务 B 不返回值。

第 6 行用的是 thenApply(Function fn)，任务 A 执行完执行 B，B 需要 A 的结果，同时任务 B 有返回值。

这一小节说完了，如果任务 B 后面还有任务 C，往下继续调用 .thenXxx() 即可。

异常处理

说到这里，我们顺便来说下 CompletableFuture 的异常处理。这里我们要介绍两个方法：

public CompletableFuture<T> exceptionally(Function<Throwable, ? extends T> fn);
public <U> CompletionStage<U> handle(BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn);

看下面的代码：

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA")
    .thenApply(resultA -> resultA + " resultB")
    .thenApply(resultB -> resultB + " resultC")
    .thenApply(resultC -> resultC + " resultD");

上面的代码中，任务 A、B、C、D 依次执行，如果任务 A 抛出异常（当然上面的代码不会抛出异常），那么后面的任务都得不到执行。如果任务 C 抛出异常，那么任务 D 得不到执行。

那么我们怎么处理异常呢？看下面的代码，我们在任务 A 中抛出异常，并对其进行处理：

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    throw new RuntimeException();
})
        .exceptionally(ex -> "errorResultA")
        .thenApply(resultA -> resultA + " resultB")
        .thenApply(resultB -> resultB + " resultC")
        .thenApply(resultC -> resultC + " resultD");

System.out.println(future.join());

上面的代码中，任务 A 抛出异常，然后通过 .exceptionally() 方法处理了异常，并返回新的结果，这个新的结果将传递给任务 B。所以最终的输出结果是：

errorResultA resultB resultC resultD

再看下面的代码，我们来看下另一种处理方式，使用 handle(BiFunction fn) 来处理异常：

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA")
        .thenApply(resultA -> resultA + " resultB")
        // 任务 C 抛出异常
        .thenApply(resultB -> {throw new RuntimeException();})
        // 处理任务 C 的返回值或异常
        .handle(new BiFunction<Object, Throwable, Object>() {
            @Override
            public Object apply(Object re, Throwable throwable) {
                if (throwable != null) {
                    return "errorResultC";
                }
                return re;
            }
        })
        .thenApply(resultC -> resultC + " resultD");

System.out.println(future.join());

上面的代码使用了 handle 方法来处理任务 C 的执行结果，上面的代码中，re 和 throwable 必然有一个是 null，它们分别代表正常的执行结果和异常的情况。

当然，它们也可以都为 null，因为如果它作用的那个 CompletableFuture 实例没有返回值的时候，re 就是 null。

取两个任务的结果

上面一节，我们说的是，任务 A 执行完 -> 任务 B 执行完 -> 执行任务 C，它们之间有先后执行关系，因为后面的任务依赖于前面的任务的结果。

这节我们来看怎么让任务 A 和任务 B 同时执行，然后取它们的结果进行后续操作。这里强调的是任务之间的并行工作，没有先后执行顺序。

如果使用 Future 的话，我们通常是这么写的：

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

Future<String> futureA = executorService.submit(() -> "resultA");
Future<String> futureB = executorService.submit(() -> "resultB");

String resultA = futureA.get();
String resultB = futureB.get();

接下来，我们看看 CompletableFuture 中是怎么写的，看下面的几行代码：

CompletableFuture<String> cfA = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA");
CompletableFuture<String> cfB = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultB");

cfA.thenAcceptBoth(cfB, (resultA, resultB) -> {});
cfA.thenCombine(cfB, (resultA, resultB) -> "result A + B");
cfA.runAfterBoth(cfB, () -> {});

第 3 行代码和第 4 行代码演示了怎么使用两个任务的结果 resultA 和 resultB，它们的区别在于，thenAcceptBoth 表示后续的处理不需要返回值，而 thenCombine 表示需要返回值。

如果你不需要 resultA 和 resultB，那么还可以使用第 5 行描述的 runAfterBoth 方法。

注意，上面的写法和下面的写法是没有区别的：

CompletableFuture<String> cfA = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA");

cfA.thenAcceptBoth(CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultB"),
        (resultA, resultB) -> {});

千万不要以为这种写法任务 A 执行完了以后再执行任务 B。

取多个任务的结果

接下来，我们将介绍两个非常简单的静态方法：allOf() 和 anyOf() 方法。

public static CompletableFuture<Void> allOf(CompletableFuture<?>... cfs){...}
public static CompletableFuture<Object> anyOf(CompletableFuture<?>... cfs) {...}

这两个方法都非常简单，简单介绍一下。

CompletableFuture cfA = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA");
CompletableFuture cfB = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 123);
CompletableFuture cfC = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultC");

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.allOf(cfA, cfB, cfC);
// 所以这里的 join() 将阻塞，直到所有的任务执行结束
future.join();

由于 allOf 聚合了多个 CompletableFuture 实例，所以它是没有返回值的。这也是它的一个缺点。

anyOf 也非常容易理解，就是只要有任意一个 CompletableFuture 实例执行完成就可以了，看下面的例子：

CompletableFuture cfA = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA");
CompletableFuture cfB = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 123);
CompletableFuture cfC = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultC");

CompletableFuture<Object> future = CompletableFuture.anyOf(cfA, cfB, cfC);
Object result = future.join();

最后一行的 join() 方法会返回最先完成的任务的结果，所以它的泛型用的是 Object，因为每个任务可能返回的类型不同。

either 方法

如果你的 anyOf(...) 只需要处理两个 CompletableFuture 实例，那么也可以使用 xxxEither() 来处理，

cfA.acceptEither(cfB, result -> {});
cfA.acceptEitherAsync(cfB, result -> {});
cfA.acceptEitherAsync(cfB, result -> {}, executorService);

cfA.applyToEither(cfB, result -> {return result;});
cfA.applyToEitherAsync(cfB, result -> {return result;});
cfA.applyToEitherAsync(cfB, result -> {return result;}, executorService);

cfA.runAfterEither(cfA, () -> {});
cfA.runAfterEitherAsync(cfB, () -> {});
cfA.runAfterEitherAsync(cfB, () -> {}, executorService);

上面的各个带 either 的方法，表达的都是一个意思，指的是两个任务中的其中一个执行完成，就执行指定的操作。它们几组的区别也很明显，分别用于表达是否需要任务 A 和任务 B 的执行结果，是否需要返回值。

大家可能会对这里的几个变种有盲区，这里顺便说几句。

1、cfA.acceptEither(cfB, result -> {}); 和 cfB.acceptEither(cfA, result -> {}); 是一个意思；

2、第二个变种，加了 Async 后缀的方法，代表将需要执行的任务放到 ForkJoinPool.commonPool() 中执行(非完全严谨)；第三个变种很好理解，将任务放到指定线程池中执行；

3、难道第一个变种是同步的？不是的，而是说，它由任务 A 或任务 B 所在的执行线程来执行，取决于哪个任务先结束。

compose

update on 2019-07-26

这里我们简单来说说 CompletableFuture 的最后一块拼图，compose 方法。

前面我们介绍了 thenAcceptBoth 和 thenCombine 用于聚合两个任务，其实 compose 也是一样的功能，它们本质上都是为了让多个 CompletableFuture 实例形成一个链。

我们还是用代码来说吧：

CompletableFuture<String> cfA = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("processing a...");
    return "hello";
});

CompletableFuture<String> cfB = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("processing b...");
    return " world";
});

CompletableFuture<String> cfC = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("processing c...");
    return ", I'm robot!";
});

我们示例三个实例的情况，这边不介绍 thenAcceptBoth 了，我们来看下 thenCombine: 

cfA.thenCombine(cfB, (resultA, resultB) -> {
    System.out.println(resultA + resultB);  // hello world
    return resultA + resultB;
}).thenCombine(cfC, (resultAB, resultC) -> {
    System.out.println(resultAB + resultC); // hello world, I'm robot!
    return resultAB + resultC;
});

我们先有 cfA，然后和 cfB 组成一个链：cfA -> cfB，然后又组合了 cfC，形成链：cfA -> cfB -> cfC。

这里有个隐藏的点：cfA、cfB、cfC 它们完全没有数据依赖关系，我们只不过是聚合了它们的结果。

这下看 compose 就清楚了：

CompletableFuture<String> result = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 第一个实例的结果
    return "hello";
}).thenCompose(resultA -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 把上一个实例的结果传递到这里
    return resultA + " world";
})).thenCompose(resultAB -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 到这里大家应该很清楚了
    return resultAB + ", I'm robot";
}));

System.out.println(result.join()); // hello world, I'm robot

前面一个 CompletableFuture 实例的结果可以传递到下一个实例中，这就是 compose 和 combine 的主要区别。

combine 是把结果进行聚合，但是 compose 更像是把多个已有的 cf 实例组合成一个整体的实例。

thenCompose 和 thenApply 的区别

评论区有同学关注到了 thenApply 和 thenCompose，这里简单说说。

我们来看看它们的方法贴到一起对比一下：

public <U> CompletableFuture<U> thenApply(
    Function<? super T,? extends U> fn) {
    return uniApplyStage(null, fn);
}
public <U> CompletableFuture<U> thenCompose(
    Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn) {
    return uniComposeStage(null, fn);
}

使用示例：

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture
        .supplyAsync(() -> "hello")
        .thenApply(cfA -> cfA + " world");

CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture
        .supplyAsync(() -> "hello")
        .thenCompose(cfA -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> cfA + " world"));

它们都需要接收一个 Function，这个函数的主要的区别在于 thenApply 中返回一个具体的值，而 thenCompose 返回一个新的 cf 实例。

thenApply 类似于 map 操作，把 cf 实例的结果加工成另一个值，像 Stream 里面的 map() 方法。它还有一个很重要的特征，这里是同步的操作。

如果你希望执行一个异步的 map 操作，那么就应该使用 thenCompose 了，比如上面的第二个例子。

我们来继续较真一下，我们可以让 thenApply 的 Function 也返回 CompletableFuture 实例，不就实现了异步的需求：

CompletableFuture<CompletableFuture<String>> future = CompletableFuture
        .supplyAsync(() -> "hello")
        .thenApply(cfA -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> cfA + " world"));

可是，返回值我们可就不太喜欢了。说到这里，大家可能会想到 Stream 里面的 flatMap() 了。

小结

关于 CompletableFuture，本文已经覆盖了绝大多数的接口。如果还有不了解的接口，欢迎各位在留言板中进行交流。

（全文完）

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