前言

本文隸屬于我歸納整理的Android知識體系的第四部分，屬于 異步 部分的多線程內(nèi)容

您可以通過訪問 總綱 閱讀系列內(nèi)的其他文章。

作者按：草稿進行了幾次大改，移除了Demo部分、源碼解析部分、設(shè)計原理部分。結(jié)合實際工作經(jīng)驗，"掌握API能熟練使用、能無障礙閱讀相關(guān)框架源碼" 已基本夠用。

讀者可結(jié)合下面的導(dǎo)圖進行快速的知識自查

一個美好的期望

通常情況下，我們希望代碼的執(zhí)行順序和代碼的組織順序一致，即代碼表述了同步執(zhí)行的程序，這樣可以減少很多思考。

而 閱讀異步的程序代碼，需要在腦海中建立事件流，當程序業(yè)務(wù)復(fù)雜時，將挑戰(zhàn)人的記憶力和空間想象力，并非所有人都擅長在腦海中構(gòu)建并分析異步事件流模型。

所以，我們期望擁有一個非常友好的框架，能夠讓我們方便地進行異步編程，并且在框架內(nèi)部設(shè)計有線程同步、異常處理機制。

并且，基于該框架編寫的代碼具有很高的可讀、可理解性。

而Future基本無法滿足這一期望。

Future的不足與CompletableFuture的來源

Future的不足

在先前的系列文章中，我們已經(jīng)回顧了Future類的設(shè)計，在絕大多數(shù)場景下，我們選擇使用多線程，是為了 充分利用機器性能 以及 避免用戶交互線程出現(xiàn)長時間阻塞 以致影響體驗。

所以我們將耗時的、會引起長時間阻塞的任務(wù)分離到其他線程執(zhí)行，并在 合適時機 進行線程同步，于主線程（一般負責用戶交互處理、界面渲染）中處理結(jié)果。

詳見拙作 掌握Future，輕松獲取異步任務(wù)結(jié)果

Future 于 Java 1.5版本引入，它類似于 異步處理的結(jié)果占位符 ， 提供了兩個方法獲取結(jié)果：

• get(), 調(diào)用線程進入阻塞直至得到結(jié)果或者異常。
• get(long timeout, TimeUnit unit), 調(diào)用線程將僅在指定時間 timeout 內(nèi)等待結(jié)果或者異常，如果超時未獲得結(jié)果就會拋出 TimeoutException 異常。

Future 可以實現(xiàn) Runnable 或 Callable 接口來定義任務(wù)，一定程度上滿足 使用框架進行異步編程 的期望，但通過整體源碼可知它存在如下 3個問題 ：

• 調(diào)用 get() 方法會一直阻塞直到獲取結(jié)果、異常，無法在任務(wù)完成時獲得 "通知" ，無法附加回調(diào)函數(shù)
• 不具備鏈式調(diào)用和結(jié)果聚合處理能力，當我們想鏈接多個 Future 共同完成一件任務(wù)時，沒有框架級的處理，只能編寫業(yè)務(wù)級邏輯，合并結(jié)果，并小心的處理同步
• 需要單獨編寫異常處理代碼

使用 get(long timeout, TimeUnit unit) 和 isDone() 判斷，確實可以緩解問題1，但這需要結(jié)合業(yè)務(wù)單獨設(shè)計（調(diào)優(yōu)），存在大量的不確定性。不再展開

Java 8中引入 CompletableFuture 來解決 Future 的不足。

CompletableFuture來源

CompletableFuture 的設(shè)計靈感來自于 Google Guava 庫的 ListenableFuture 類，它實現(xiàn)了 Future接口 和 CompletionStage接口 ， 并且新增一系列API，支持Java 8的 lambda特性，通過回調(diào)利用非阻塞方法，提升了異步編程模型。

它解決了Future的不足，允許我們在非主線程中運行任務(wù)，并向啟動線程 (一般是主線程) 通知 任務(wù)完成 或 任務(wù)失敗，編寫異步的、非阻塞的程序。

使用CompletableFuture

最簡方式獲取實例

使用 CompletableFuture.completedFuture(U value) 可以獲取一個 執(zhí)行狀態(tài)已經(jīng)完成 的 CompletableFuture 對象。

這可以用于快速改造舊程序，并進行逐步過渡

class Demo {
    @Test
    public void testSimpleCompletableFuture() {
        CompletableFuture<String> completableFuture =
                CompletableFuture.completedFuture("testSimpleCompletableFuture");
        assertTrue(completableFuture.isDone());
        try {
            assertEquals("testSimpleCompletableFuture", completableFuture.get());
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

改造線程同步部分

部分老舊程序已經(jīng)建立了多線程業(yè)務(wù)模型，我們可以使用 CompletableFuture 改造其中的線程同步部分，但暫不改造數(shù)據(jù)傳遞。

使用 runAsync() 方法，該方法接收一個 Runnable 類型的參數(shù)返回 CompletableFuture<Void>:

//并不改變原項目中數(shù)據(jù)傳遞的部分、或者不關(guān)心結(jié)果數(shù)據(jù)，僅進行同步
class Demo {
    @Test
    public void testCompletableFutureRunAsync() {
        AtomicInteger variable = new AtomicInteger(0);
        CompletableFuture<Void> runAsync = CompletableFuture.runAsync(() -> process(variable));
        runAsync.join();
        assertEquals(1, variable.get());
    }
    public void process(AtomicInteger variable) {
        System.out.println(Thread.currentThread() + " Process...");
        variable.set(1);
    }
}

進一步改造結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞

當我們關(guān)心異步任務(wù)的結(jié)果數(shù)據(jù)、或者改造原 多線程業(yè)務(wù)模型 的 數(shù)據(jù)傳遞方式 時，可以使用 supplyAsync() 方法，該方法接收一個 Supplier<T> 接口類型的參數(shù)，它實現(xiàn)了任務(wù)的邏輯，方法返回 CompletableFuture<T> 實例。

class Demo {
    @Test
    public void testCompletableFutureSupplyAsync() {
        CompletableFuture<String> supplyAsync =
                CompletableFuture.supplyAsync(this::process);
        try {
            // Blocking 
            assertEquals("testCompletableFutureSupplyAsync", supplyAsync.get());
        } catch (ExecutionException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public String process() {
        return "testCompletableFutureSupplyAsync";
    }
}

指定執(zhí)行線程池

"獲取用于執(zhí)行任務(wù)的線程" 類似 Java 8 中的 parallelStream， CompletableFuture 默認從全局 ForkJoinPool.commonPool() 獲取線程，用于執(zhí)行任務(wù)。同時也提供了指定線程池的方式用于獲取線程執(zhí)行任務(wù)，您可以使用API中具有 Executor 參數(shù)的重載方法。

class Demo {
    @Test
    public void testCompletableFutureSupplyAsyncWithExecutor() {
        ExecutorService newFixedThreadPool =
                Executors.newFixedThreadPool(2);
        CompletableFuture<String> supplyAsync = CompletableFuture.supplyAsync(this::process,
                newFixedThreadPool);
        try {
            // Blocking 
            assertEquals("testCompletableFutureSupplyAsyncWithExecutor", supplyAsync.get());
        } catch (ExecutionException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public String process() {
        return "testCompletableFutureSupplyAsyncWithExecutor";
    }
}

CompletableFuture 中有眾多API，方法命名中含有 Async 的API可使用線程池。

截至此處，以上使用方式均與 Future 類似，接下來演示 CompletableFuture 的不同

回調(diào)&鏈式調(diào)用

CompletableFuture 的 get()API是阻塞式獲取結(jié)果，CompletableFuture 提供了

• thenApply
• thenAccept
• thenRun

等API來避免阻塞式獲取，并且可添加 任務(wù)完成 后的回調(diào)。這幾個方法的使用場景如下：

• <U> CompletableFuture<U> thenApply(Function<? super T,? extends U> fn) 收到結(jié)果后，可以進行轉(zhuǎn)化
• CompletableFuture<Void> thenAccept(Consumer<? super T> action) 收到結(jié)果后，對其進行消費
• CompletableFuture<Void> thenRun(Runnable action) 收到結(jié)果后，執(zhí)行回調(diào)，無法消費結(jié)果只能消費 這一事件

API較為簡單，不再代碼演示

顯然，通過鏈式調(diào)用可以組裝多個執(zhí)行過程。

有讀者可能會疑惑：Function 和 Consumer 也可以進行鏈式組裝，是否存在冗余呢？

兩種的鏈式調(diào)用特性確實存在重疊，您可以自行選擇用法，但 thenRun 只能采用 CompletableFuture的鏈式調(diào)用。

另外，前面提到，我們可以指定線程池執(zhí)行任務(wù)，對于這三組API，同樣有相同的特性，通過 thenXXXXAsync 指定線程池，這是 Function 和 Consumer 的鏈式組裝所無法完成的。

class Demo {
    @Test
    public void testCompletableFutureApplyAsync() {
        ExecutorService newFixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
        ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
        // 從線程池 newFixedThreadPool 獲取線程執(zhí)行任務(wù) 
        CompletableFuture<Double> completableFuture =
                CompletableFuture.supplyAsync(() -> 1D, newFixedThreadPool)
                        .thenApplyAsync(d -> d + 1D, newSingleThreadScheduledExecutor)
                        .thenApplyAsync(d -> d + 2D);
        Double result = completableFuture.join();
        assertEquals(4D, result);
    }
}

聚合多個CompletableFuture

通過 聚合 多個 CompletableFuture，可以組成更 復(fù)雜 的業(yè)務(wù)流，可以達到精細地控制粒度、聚焦單個節(jié)點的業(yè)務(wù)。

注意：操作符并不能完全的控制 CompletableFuture 任務(wù)執(zhí)行的時機，您需要謹慎的選擇 CompletableFuture 的創(chuàng)建時機

thenCompose、thenComposeAsync

compose 原意為 組成， 通過多個 CompletableFuture 構(gòu)建異步流。

在操作的 CompletableFuture 獲得結(jié)果時，將另一個 CompletableFuture compose 到異步流中，compose的過程中，可以根據(jù)操作的 CompletableFuture 的結(jié)果編寫邏輯。

與 thenApply 相比，thenCompose 返回邏輯中提供的 CompletableFuture 而 thenApply 返回框架內(nèi)處理的新實例。

注意，這一特性在使用 FP編程范式進行編碼時，會顯得非常靈活，一定程度上提升了函數(shù)的復(fù)用性

API含義直觀，不再進行代碼演示

thenCombine、thenCombineAsync

thenCombine 可以用于合并多個 獨立任務(wù) 的處理結(jié)果。

注意： thenCompose 進行聚合時，下游可以使用上游的結(jié)果，在業(yè)務(wù)需求上一般表現(xiàn)為依賴上一步結(jié)果，而非兩者相互獨立。

例如，產(chǎn)品希望在博客詳情頁同時展示 "博客的詳情" 和 "作者主要信息" ，以避免內(nèi)容區(qū)抖動或割裂的骨架占位。這兩者 可以獨立獲取時 ，則可以使用 thenCombine 系列API，分別獲取，并合并結(jié)果。

combine 的特點是 被合并的兩個 CompletableFuture 可以并發(fā)，等兩者都獲得結(jié)果后進行合并。

但它依舊存在使用上的不便捷，合并超過2個 CompletableFuture 時，顯得不夠靈活?？梢允褂?static CompletableFuture<Void> allOf(CompletableFuture<?>... cfs) API。

allOf 創(chuàng)建了 CompletableFuture<Void>，并不會幫助我們合并結(jié)果，所以需要自行編寫業(yè)務(wù)代碼合并，故存在 Side Effects。

runAfterBoth、runAfterBothAsync;runAfterEither、runAfterEitherAsync

• runAfterBoth 系列API在兩個 CompletableFuture 都獲得結(jié)果后執(zhí)行回調(diào)
• runAfterEither 系列API在兩個 CompletableFuture 任意一個獲得結(jié)果后執(zhí)行回調(diào)

通過API，不難理解它們需要使用者自行處理結(jié)果

• CompletableFuture<Void> runAfterBoth(CompletionStage<?> other, Runnable action);
• CompletableFuture<Void> runAfterEither(CompletionStage<?> other, Runnable action)

同樣可以增加編碼靈活性，不再贅述。

applyToEither、applyToEitherAsync；

acceptEither、acceptEitherAsync;thenAcceptBoth、thenAcceptBothAsync

• applyToEither 系列API表現(xiàn)如 thenApply 和 Either 的組合，兩個同類型的 CompletableFuture 任意一個獲得結(jié)果后，可消費該結(jié)果并進行改變，類似 thenApply
• acceptEither 系列API表現(xiàn)如 thenAccept 和 Either 的組合，兩個同類型的 CompletableFuture 任意一個獲得結(jié)果后，可消費該結(jié)果，類似 thenAccept
• thenAcceptBoth 系列API表現(xiàn)如 thenCombine，但返回 CompletableFuture<Void>

同樣可以增加編碼靈活性，不再贅述

結(jié)果處理

使用回調(diào)處理結(jié)果有兩種API，注意，除了正常獲得結(jié)果外還可能獲得異常，而這兩組API簇差異體現(xiàn)在對 異常 的處理中。

<U> CompletableFuture<U> handle(BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn) CompletableFuture<T> whenComplete(BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action)

handle 使用 BiFunction，無論是正常結(jié)果還是異常情況，均視作可被邏輯接受，消費后轉(zhuǎn)化

而 whenComplete 使用 BiConsumer，僅可消費但不能轉(zhuǎn)化，異常情況被視作不可被邏輯接受，仍會拋出。

舉個例子，進行網(wǎng)絡(luò)編程時會遇到 Exception, 如果業(yè)務(wù)設(shè)計中使用的模型實體包含了 正常結(jié)果、異常 兩種情況：

open class Result<T>(val t: T?) {
    open val isThr: Boolean = false
}
class FailResult<T>(val tr: Throwable) : Result<T>(null) {
    override val isThr: Boolean = true
}

則適合使用 handle API在底層處理。否則需要額外的異常處理，可依據(jù)項目的設(shè)計選擇處理方式，一般在依據(jù)FP范式設(shè)計的程序中，傾向于使用handle，避免增加side effect。

異常處理

在多線程背景下，異常處理并不容易。它不僅僅是使用 try-catch 捕獲異常，還包含程序異步流中，節(jié)點出現(xiàn)異常時流的業(yè)務(wù)走向。

在 CompletableFuture 中，節(jié)點出現(xiàn)異常將跳過后續(xù)節(jié)點，進入異常處理。

_如果您不希望某個節(jié)點拋出異常導(dǎo)致后續(xù)流程中斷，則可在節(jié)點的處理中捕獲并包裝為結(jié)果、或者對子 CompletableFuture 節(jié)點采用 handle、exceptionally API轉(zhuǎn)換異常 _

除前文提到的 handle whenComplete，CompletableFuture 中還提供了 exceptionally API用于處理異常

CompletableFuture<T> exceptionally(Function<Throwable, ? extends T> fn)

從表現(xiàn)結(jié)果看，它類似于 handle API中對異常的處理，將異常轉(zhuǎn)換為目標結(jié)果的一種特定情形。

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