快捷導(dǎo)航

Java8通過(guò)CompletableFuture實(shí)現(xiàn)異步回調(diào)

更新時(shí)間：2022年04月27日 17:27:20 作者：??CoderJie????

這篇文章主要介紹了Java8通過(guò)CompletableFuture實(shí)現(xiàn)異步回調(diào)，CompletableFuture是Java?8?中新增的一個(gè)類，它是對(duì)Future接口的擴(kuò)展，下文關(guān)于其更多相關(guān)詳細(xì)介紹需要的小伙伴可以參考一下

java5為我們提供了Callable和Future，使我們可以很容易的完成異步任務(wù)結(jié)果的獲取，但是通過(guò)Future的get獲取異步任務(wù)結(jié)果會(huì)導(dǎo)致主線程的阻塞，這樣在某些場(chǎng)景下是非常消耗CPU資源的，進(jìn)而Java8為我們提供了CompletableFuture，使我們可以輕松完成異步任務(wù)的回調(diào)。

1 什么是CompletableFuture？

CompletableFuture是Java 8 中新增的一個(gè)類，它是對(duì)Future接口的擴(kuò)展。從下方的類繼承關(guān)系圖中我們看到其不僅實(shí)現(xiàn)了Future接口，還有CompletionStage接口，當(dāng)Future需要顯示地完成時(shí)，可以使用CompletionStage接口去支持完成時(shí)觸發(fā)的函數(shù)和操作，當(dāng)2個(gè)以上線程同時(shí)嘗試完成、異常完成、取消一個(gè)CompletableFuture時(shí)，只有一個(gè)能成功。

CompletableFuture主要作用就是簡(jiǎn)化我們異步編程的復(fù)雜性，支持函數(shù)式編程，可以通過(guò)回調(diào)的方式處理計(jì)算結(jié)果。

2 為什么會(huì)有CompletableFuture ？

在java5中，JDK為我們提供了Callable和Future，使我們可以很容易的完成異步任務(wù)結(jié)果的獲取，但是通過(guò)Future的get獲取異步任務(wù)結(jié)果會(huì)導(dǎo)致主線程的阻塞，這樣在某些場(chǎng)景下是非常消耗CPU資源的，進(jìn)而Java8為我們提供了CompletableFuture，使我們無(wú)需阻塞等待，而是通過(guò)回調(diào)的方式去處理結(jié)果，并且還支持流式處理、組合異步任務(wù)等操作。

如果不熟悉Callable和Future的，可以看小編之前更新的這篇文章Java從源碼看異步任務(wù)計(jì)算FutureTask

3 CompletableFuture 簡(jiǎn)單使用

下面我們就CompletableFuture 的使用進(jìn)行簡(jiǎn)單分類：

創(chuàng)建任務(wù)：

supplyAsync/runAsync

異步回調(diào)：

thenApply/thenAccept/thenRun
thenApplyAsync/thenAcceptAsync/thenRunAsync
exceptionally
handle/whenComplete

組合處理：

thenCombine / thenAcceptBoth / runAfterBoth
applyToEither / acceptEither / runAfterEither
thenCompose
allOf / anyOf

具體內(nèi)容請(qǐng)參照以下案例:

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1.帶返回值的異步任務(wù)(不指定線程池，默認(rèn)ForkJoinPool.commonPool()，單核ThreadPerTaskExecutor)
        CompletableFuture<Integer> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return 1 + 1;
        });
        System.out.println("cf1 result: " + cf1.get());
        // 2.無(wú)返回值的異步任務(wù)(不指定線程池，默認(rèn)ForkJoinPool.commonPool()，單核ThreadPerTaskExecutor)
        CompletableFuture cf2 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            int a = 1 + 1;
        });
        System.out.println("cf2 result: " + cf2.get());
        // 3.指定線程池的帶返回值的異步任務(wù)，runAsync同理
        CompletableFuture<Integer> cf3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return 1 + 1;
        }, Executors.newCachedThreadPool());
        System.out.println("cf3 result: " + cf3.get());
        // 4.回調(diào)，任務(wù)執(zhí)行完成后執(zhí)行的動(dòng)作
        CompletableFuture<Integer> cf4 = cf1.thenApply((result) -> {
            System.out.println("cf4回調(diào)拿到cf1的結(jié)果 result : " + result);
            return result + 1;
        });
        System.out.println("cf4 result: " + cf4.get());
        // 5.異步回調(diào)(將回調(diào)任務(wù)提交到線程池)，任務(wù)執(zhí)行完成后執(zhí)行的動(dòng)作后異步執(zhí)行
        CompletableFuture<Integer> cf5 = cf1.thenApplyAsync((result) -> {
            System.out.println("cf5回調(diào)拿到cf1的結(jié)果 result : " + result);
            return result + 1;
        });
        System.out.println("cf5 result: " + cf5.get());
        // 6.回調(diào)(同thenApply但無(wú)返回結(jié)果)，任務(wù)執(zhí)行完成后執(zhí)行的動(dòng)作
        CompletableFuture cf6 = cf1.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("cf6回調(diào)拿到cf1的結(jié)果 result : " + result);
        });
        System.out.println("cf6 result: " + cf6.get());
        // 7.回調(diào)(同thenAccept但無(wú)入?yún)?，任務(wù)執(zhí)行完成后執(zhí)行的動(dòng)作
        CompletableFuture cf7 = cf1.thenRun(() -> {
        });
        System.out.println("cf7 result: " + cf7.get());
        // 8.異?；卣{(diào)，任務(wù)執(zhí)行出現(xiàn)異常后執(zhí)行的動(dòng)作
        CompletableFuture<Integer> cf = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            throw new RuntimeException("出現(xiàn)異常");
        });
        CompletableFuture<Integer> cf8 = cf.exceptionally((result) -> {
            return -1;
        });
        System.out.println("cf8 result: " + cf8.get());
        // 9.當(dāng)某個(gè)任務(wù)執(zhí)行完成后執(zhí)行的回調(diào)方法，會(huì)將執(zhí)行結(jié)果或者執(zhí)行期間拋出的異常傳遞給回調(diào)方法
        //   如果是正常執(zhí)行則異常為null，回調(diào)方法對(duì)應(yīng)的CompletableFuture的result和該任務(wù)一致;
        //   如果該任務(wù)正常執(zhí)行，則get方法返回執(zhí)行結(jié)果，如果是執(zhí)行異常，則get方法拋出異常。
        CompletableFuture<Integer> cf9 = cf1.handle((a, b) -> {
            if (b != null) {
                b.printStackTrace();
            }
            return a;
        });
        System.out.println("cf9 result: " + cf9.get());
        // 10 與handle類似，無(wú)返回值
        try {
            CompletableFuture<Integer> cf10 = cf.whenComplete((a, b) -> {
                if (b != null) {
                    b.printStackTrace();
                }
            });
            System.out.println("cf10 result: " + cf10.get());
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("cf10 出現(xiàn)異常?。。?);
        }
        // 11 組合處理(兩個(gè)都完成，然后執(zhí)行)有入?yún)ⅲ蟹祷刂?
        CompletableFuture<Integer> cf11 = cf1.thenCombine(cf3, (r1, r2) -> {
            return r1 + r2;
        });
        System.out.println("cf11 result: " + cf11.get());
        // 12 組合處理(兩個(gè)都完成，然后執(zhí)行)有入?yún)ⅲ瑹o(wú)返回值
        CompletableFuture cf12 = cf1.thenAcceptBoth(cf3, (r1, r2) -> {
        });
        System.out.println("cf12 result: " + cf12.get());
        // 13 組合處理(兩個(gè)都完成，然后執(zhí)行)無(wú)入?yún)?，無(wú)返回值
        CompletableFuture cf13 = cf1.runAfterBoth(cf3, () -> {
        });
        System.out.println("cf13 result: " + cf13.get());
        // 14 組合處理(有一個(gè)完成，然后執(zhí)行)有入?yún)ⅲ蟹祷刂?
        CompletableFuture<Integer> cf14 = cf1.applyToEither(cf3, (r) -> {
            return r;
        });
        System.out.println("cf14 result: " + cf14.get());
        // 15 組合處理(有一個(gè)完成，然后執(zhí)行)有入?yún)ⅲ瑹o(wú)返回值
        CompletableFuture cf15 = cf1.acceptEither(cf3, (r) -> {
        });
        System.out.println("cf15 result: " + cf15.get());
        // 16 組合處理(有一個(gè)完成，然后執(zhí)行)無(wú)入?yún)?，無(wú)返回值
        CompletableFuture cf16 = cf1.runAfterEither(cf3, () -> {
        });
        System.out.println("cf16 result: " + cf16.get());
        // 17 方法執(zhí)行后返回一個(gè)新的CompletableFuture
        CompletableFuture<Integer> cf17 = cf1.thenCompose((r) -> {
            return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                return 1 + 1;
            });
        });
        System.out.println("cf17 result: " + cf17.get());
        // 18 多個(gè)任務(wù)都執(zhí)行成功才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行
        CompletableFuture.allOf(cf1,cf2,cf3).whenComplete((r, t) -> {
            System.out.println(r);
        });
        // 18 多個(gè)任務(wù)任意一個(gè)執(zhí)行成功就會(huì)繼續(xù)執(zhí)行
        CompletableFuture.anyOf(cf1,cf2,cf3).whenComplete((r, t) -> {
            System.out.println(r);
        });
    }

4 CompletableFuture 源碼分析

首先我們可以從注釋中看到，它對(duì)CompletionStage、Future接口擴(kuò)展的一些描述，這些也是它的一些重點(diǎn)。

除了直接操作狀態(tài)和結(jié)果的相關(guān)方法外，CompletableFuture還實(shí)現(xiàn)了CompletionStage接口的如下策略：

（1）為非異步方法的依賴完成提供的操作，可以由完成當(dāng)前CompletableFuture的線程執(zhí)行，也可以由完成方法的任何其他調(diào)用方執(zhí)行。
（2）所有沒有顯式Executor參數(shù)的異步方法都使用ForkJoinPool.commonPool()執(zhí)行（除非它不支持至少兩個(gè)并行級(jí)別，在這種情況下，將創(chuàng)建一個(gè)新線程來(lái)運(yùn)行每個(gè)任務(wù)）。為了簡(jiǎn)化監(jiān)視、調(diào)試和跟蹤，所有生成的異步任務(wù)都是CompletableFuture的實(shí)例，異步完成任務(wù)。

不了解ForkJoinPool的可以閱讀小編之前更新的這篇文章一文帶你了解Java中的ForkJoin。

（3）所有CompletionStage方法都是獨(dú)立于其他公共方法實(shí)現(xiàn)的，因此一個(gè)方法的行為不會(huì)受到子類中其他方法重寫的影響。

CompletableFuture實(shí)現(xiàn)了Future接口的如下策略：

因?yàn)椋ㄅcFutureTask不同）這個(gè)類對(duì)導(dǎo)致它完成的計(jì)算沒有直接控制權(quán)，所以取消被視為另一種形式的異常完成，所以cancel操作被視為是另一種異常完成形式（new CancellationException()具有相同的效果。)。方法isCompletedExceptionally()可以用來(lái)確定一個(gè)CompletableFuture是否以任何異常的方式完成。
如果異常完成時(shí)出現(xiàn)CompletionException，方法get()和get(long，TimeUnit)會(huì)拋出一個(gè)ExecutionException，其原因與相應(yīng)CompletionException中的原因相同。為了簡(jiǎn)化在大多數(shù)上下文中的使用，該類還定義了join()和getNow()方法，在這些情況下直接拋出CompletionException。

4.1 創(chuàng)建異步任務(wù)

我們先看一下CompletableFuture是如何創(chuàng)建異步任務(wù)的，我們可以看到起創(chuàng)建異步任務(wù)的核心實(shí)現(xiàn)是兩個(gè)入?yún)?，一個(gè)入?yún)⑹荅xecutor，另一個(gè)入?yún)⑹荢upplier（函數(shù)式編程接口）。其中也提供了一個(gè)入?yún)⒌闹剌d，一個(gè)入?yún)⒌闹剌d方法會(huì)獲取默認(rèn)的Executor，當(dāng)系統(tǒng)是單核的會(huì)使用ThreadPerTaskExecutor，多核時(shí)使用ForkJoinPool.commonPool()。

注意：這里默認(rèn)ForkJoinPool.commonPool()線程池，如果所有異步任務(wù)都使用該線程池話，出現(xiàn)問(wèn)題不容易定位，如果長(zhǎng)時(shí)間占用該線程池可能影響其他業(yè)務(wù)的正常操作，stream的并行流也是使用的該線程池。

其中還封裝了靜態(tài)內(nèi)部類AsyncSupply，該類代表這個(gè)異步任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了Runnable，重寫了run方法。

    private static final Executor asyncPool = useCommonPool ?
        ForkJoinPool.commonPool() : new ThreadPerTaskExecutor();

    private static final boolean useCommonPool =
        (ForkJoinPool.getCommonPoolParallelism() > 1);

	public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier) {
        return asyncSupplyStage(asyncPool, supplier);
    }

    static <U> CompletableFuture<U> asyncSupplyStage(Executor e,
                                                     Supplier<U> f) {
        if (f == null) throw new NullPointerException();
        CompletableFuture<U> d = new CompletableFuture<U>();
        e.execute(new AsyncSupply<U>(d, f));
        return d;
    }

	/**
	 * 靜態(tài)內(nèi)部類，繼承了ForkJoinTask<Void>、實(shí)現(xiàn)了Runnable、AsynchronousCompletionTask
	 */
    static final class AsyncSupply<T> extends ForkJoinTask<Void>
            implements Runnable, AsynchronousCompletionTask {
        CompletableFuture<T> dep; Supplier<T> fn;
        AsyncSupply(CompletableFuture<T> dep, Supplier<T> fn) {
            this.dep = dep; this.fn = fn;
        }

        public final Void getRawResult() { return null; }
        public final void setRawResult(Void v) {}
        public final boolean exec() { run(); return true; }

        public void run() {
            CompletableFuture<T> d; Supplier<T> f;
            if ((d = dep) != null && (f = fn) != null) {
                dep = null; fn = null;
                if (d.result == null) {
                    try {
                        d.completeValue(f.get());
                    } catch (Throwable ex) {
                        d.completeThrowable(ex);
                    }
                }
                d.postComplete();
            }
        }
    }

Supplier類是一個(gè)函數(shù)式的接口，@FunctionalInterface注解就是函數(shù)式編程的標(biāo)記。

package java.util.function;

@FunctionalInterface
public interface Supplier<T> {

    T get();
}

4.2 異步任務(wù)回調(diào)

異步任務(wù)回調(diào)，我們以thenApply/thenApplyAsync為例來(lái)看一下其實(shí)現(xiàn)原理，方法名含有Async的會(huì)傳入asyncPool。uniApplyStage方法通過(guò)判斷e是否有值，來(lái)區(qū)分是從哪個(gè)方法進(jìn)來(lái)的。thenApply不會(huì)傳入 Executor，它優(yōu)先讓當(dāng)前線程來(lái)執(zhí)行后續(xù) stage 的任務(wù)。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)前一個(gè) stage 已經(jīng)執(zhí)行完畢時(shí)，直接讓當(dāng)前線程來(lái)執(zhí)行后續(xù) stage 的 task。
當(dāng)發(fā)現(xiàn)前一個(gè) stage 還沒執(zhí)行完畢時(shí)，則把當(dāng)前 stage 包裝成一個(gè) UniApply 對(duì)象，放到前一個(gè) stage 的棧中。執(zhí)行前一個(gè) stage 的線程，執(zhí)行完畢后，接著執(zhí)行后續(xù) stage 的 task。

thenApplyAsync會(huì)傳入一個(gè) Executor，它總是讓 Executor 線程池里面的線程來(lái)執(zhí)行后續(xù) stage 的任務(wù)。

把當(dāng)前 stage 包裝成一個(gè) UniApply 對(duì)象，放到前一個(gè) stage 的棧中，直接讓 Executor 來(lái)執(zhí)行。

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

    public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(
        Function<? super T,? extends U> fn) {
        return uniApplyStage(asyncPool, fn);
    }

    private <V> CompletableFuture<V> uniApplyStage(
        Executor e, Function<? super T,? extends V> f) {
        if (f == null) throw new NullPointerException();
        CompletableFuture<V> d =  new CompletableFuture<V>();
        // Async直接進(jìn)入，不是Async執(zhí)行uniApply嘗試獲取結(jié)果
        if (e != null || !d.uniApply(this, f, null)) {
            UniApply<T,V> c = new UniApply<T,V>(e, d, this, f);
            push(c);
            c.tryFire(SYNC);
        }
        return d;
    }
 
    final <S> boolean uniApply(CompletableFuture<S> a,
                               Function<? super S,? extends T> f,
                               UniApply<S,T> c) {
        Object r; Throwable x;
        // 判斷當(dāng)前CompletableFuture是否已完成，如果沒完成則返回false；如果完成了則執(zhí)行下面的邏輯。
        if (a == null || (r = a.result) == null || f == null)
            return false;
        tryComplete: if (result == null) {
            // 判斷任務(wù)結(jié)果是否是AltResult類型
            if (r instanceof AltResult) {
                if ((x = ((AltResult)r).ex) != null) {
                    completeThrowable(x, r);
                    break tryComplete;
                }
                r = null;
            }
            try {
                // 判斷當(dāng)前任務(wù)是否可以執(zhí)行
                if (c != null && !c.claim())
                    return false;
                // 獲取任務(wù)結(jié)果
                @SuppressWarnings("unchecked") S s = (S) r;
                // 執(zhí)行
                completeValue(f.apply(s));
            } catch (Throwable ex) {
                completeThrowable(ex);
            }
        }
        return true;
    }

    static final class UniApply<T,V> extends UniCompletion<T,V> {
        Function<? super T,? extends V> fn;
        UniApply(Executor executor, CompletableFuture<V> dep,
                 CompletableFuture<T> src,
                 Function<? super T,? extends V> fn) {
            super(executor, dep, src); this.fn = fn;
        }
        final CompletableFuture<V> tryFire(int mode) {
            CompletableFuture<V> d; CompletableFuture<T> a;
            if ((d = dep) == null ||
                !d.uniApply(a = src, fn, mode > 0 ? null : this))
                return null;
            dep = null; src = null; fn = null;
            return d.postFire(a, mode);
        }
    }

    final void push(UniCompletion<?,?> c) {
        if (c != null) {
            while (result == null && !tryPushStack(c))
                lazySetNext(c, null); // clear on failure
        }
    }

    final boolean completeValue(T t) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, RESULT, null,
                                           (t == null) ? NIL : t);
    }

4.3 異步任務(wù)組合

我們?cè)?code>thenCombine方法為例看一下CompletableFuture是如何處理組合任務(wù)的，我們可以看到thenCombine的源碼與thenApply的源碼基本上是一直的，只不過(guò)組合的時(shí)候不僅僅是判斷一個(gè)，需要集合具體場(chǎng)景，判斷多個(gè)CompletableFuture。

    public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombine(
        CompletionStage<? extends U> other,
        BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn) {
        return biApplyStage(null, other, fn);
    }

    private <U,V> CompletableFuture<V> biApplyStage(
        Executor e, CompletionStage<U> o,
        BiFunction<? super T,? super U,? extends V> f) {
        CompletableFuture<U> b;
        if (f == null || (b = o.toCompletableFuture()) == null)
            throw new NullPointerException();
        CompletableFuture<V> d = new CompletableFuture<V>();
        if (e != null || !d.biApply(this, b, f, null)) {
            BiApply<T,U,V> c = new BiApply<T,U,V>(e, d, this, b, f);
            bipush(b, c);
            c.tryFire(SYNC);
        }
        return d;
    }

    final <R,S> boolean biApply(CompletableFuture<R> a,
                                CompletableFuture<S> b,
                                BiFunction<? super R,? super S,? extends T> f,
                                BiApply<R,S,T> c) {
        Object r, s; Throwable x;
        // 此處不止要判斷a還得判斷b
        if (a == null || (r = a.result) == null ||
            b == null || (s = b.result) == null || f == null)
            return false;
        tryComplete: if (result == null) {
            if (r instanceof AltResult) {
                if ((x = ((AltResult)r).ex) != null) {
                    completeThrowable(x, r);
                    break tryComplete;
                }
                r = null;
            }
            // 這里不止判斷a的結(jié)果r還要判斷b的結(jié)果s
            if (s instanceof AltResult) {
                if ((x = ((AltResult)s).ex) != null) {
                    completeThrowable(x, s);
                    break tryComplete;
                }
                s = null;
            }
            // 最后將rr, ss傳入
            try {
                if (c != null && !c.claim())
                    return false;
                @SuppressWarnings("unchecked") R rr = (R) r;
                @SuppressWarnings("unchecked") S ss = (S) s;
                completeValue(f.apply(rr, ss));
            } catch (Throwable ex) {
                completeThrowable(ex);
            }
        }
        return true;
    }

    static final class BiApply<T,U,V> extends BiCompletion<T,U,V> {
        BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn;
        BiApply(Executor executor, CompletableFuture<V> dep,
                CompletableFuture<T> src, CompletableFuture<U> snd,
                BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn) {
            super(executor, dep, src, snd); this.fn = fn;
        }
        // tryFire方法也同樣的多可個(gè)b
        final CompletableFuture<V> tryFire(int mode) {
            CompletableFuture<V> d;
            CompletableFuture<T> a;
            CompletableFuture<U> b;
            if ((d = dep) == null ||
                !d.biApply(a = src, b = snd, fn, mode > 0 ? null : this))
                return null;
            dep = null; src = null; snd = null; fn = null;
            return d.postFire(a, b, mode);
        }
    }

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