Future是Java 5添加的类,用来描述一个异步计算的结果。你可以使用isDone
方法检查计算是否完成,或者使用get
阻塞住调用线程,直到计算完成返回结果,你也可以使用cancel
方法停止任务的执行。
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public class BasicFuture {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(
10);
Future
// 长时间的异步计算
// ……
// 然后返回结果
return 100;
});
// while(!f.isDone())
// ;
f.get();
}
}
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虽然Future
以及相关使用方法提供了异步执行任务的能力,但是对于结果的获取却是很不方便,只能通过阻塞或者轮询的方式得到任务的结果。阻塞的方式显然和我们的异步编程的初衷相违背,轮询的方式又会耗费无谓的CPU资源,而且也不能及时地得到计算结果,为什么不能用观察者设计模式当计算结果完成及时通知监听者呢?
很多语言,比如Node.js,采用回调的方式实现异步编程。Java的一些框架,比如Netty,自己扩展了Java的 Future
接口,提供了addListener
等多个扩展方法:
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ChannelFuture future = bootstrap.connect(
new InetSocketAddress(host, port));
future.addListener(
new ChannelFutureListener()
{
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception
{
if (future.isSuccess()) {
// SUCCESS
}
else {
// FAILURE
}
}
});
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Google guava也提供了通用的扩展Future:ListenableFuture、SettableFuture 以及辅助类Futures等,方便异步编程。
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final String name = ...;
inFlight.add(name);
ListenableFuture
future.addListener(
new Runnable() {
public void run() {
processedCount.incrementAndGet();
inFlight.remove(name);
lastProcessed.set(name);
logger.info(
"Done with {0}", name);
}
}, executor);
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Scala也提供了简单易用且功能强大的Future/Promise异步编程模式。
作为正统的Java类库,是不是应该做点什么,加强一下自身库的功能呢?
在Java 8中, 新增加了一个包含50个方法左右的类: 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,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,并且提供了转换和组合CompletableFuture的方法。
下面我们就看一看它的功能吧。
CompletableFuture类实现了CompletionStage和Future接口,所以你还是可以像以前一样通过阻塞或者轮询的方式获得结果,尽管这种方式不推荐使用。
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public T get()
public T get(long timeout, TimeUnit unit)
public T getNow(T valueIfAbsent)
public T join()
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getNow
有点特殊,如果结果已经计算完则返回结果或者抛出异常,否则返回给定的valueIfAbsent
值。join
返回计算的结果或者抛出一个unchecked异常(CompletionException),它和get
对抛出的异常的处理有些细微的区别,你可以运行下面的代码进行比较:
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CompletableFuture
int i = 1/0;
return 100;
});
//future.join();
future.get();
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尽管Future可以代表在另外的线程中执行的一段异步代码,但是你还是可以在本身线程中执行:
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public static CompletableFuture
final CompletableFuture
return future;
}
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上面的代码中future
没有关联任何的Callback
、线程池、异步任务等,如果客户端调用future.get
就会一致傻等下去。你可以通过下面的代码完成一个计算,触发客户端的等待:
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f.complete(
100);
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当然你也可以抛出一个异常,而不是一个成功的计算结果:
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f.completeExceptionally(
new Exception());
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完整的代码如下:
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public class BasicMain {
public static CompletableFuture
final CompletableFuture
return future;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
final CompletableFuture
class Client extends Thread {
CompletableFuture
Client(String threadName, CompletableFuture
super(threadName);
this.f = f;
}
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(
this.getName() + ": " + f.get());
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
new Client("Client1", f).start();
new Client("Client2", f).start();
System.out.println(
"waiting");
f.complete(
100);
//f.completeExceptionally(new Exception());
System.in.read();
}
}
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可以看到我们并没有把f.complete(100);
放在另外的线程中去执行,但是在大部分情况下我们可能会用一个线程池去执行这些异步任务。CompletableFuture.complete()
、CompletableFuture.completeExceptionally
只能被调用一次。但是我们有两个后门方法可以重设这个值:obtrudeValue
、obtrudeException
,但是使用的时候要小心,因为complete
已经触发了客户端,有可能导致客户端会得到不期望的结果。
CompletableFuture.completedFuture
是一个静态辅助方法,用来返回一个已经计算好的CompletableFuture
。
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public static CompletableFuture completedFuture(U value)
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而以下四个静态方法用来为一段异步执行的代码创建CompletableFuture
对象:
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public static CompletableFuture
public static CompletableFuture
public static CompletableFuture supplyAsync(Supplier supplier)
public static CompletableFuture supplyAsync(Supplier supplier, Executor executor)
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以Async
结尾并且没有指定Executor
的方法会使用ForkJoinPool.commonPool()
作为它的线程池执行异步代码。
runAsync
方法也好理解,它以Runnable
函数式接口类型为参数,所以CompletableFuture
的计算结果为空。supplyAsync
方法以Supplier
函数式接口类型为参数,CompletableFuture
的计算结果类型为U
。
因为方法的参数类型都是函数式接口,所以可以使用lambda表达式实现异步任务,比如:
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CompletableFuture
//长时间的计算任务
return "·00";
});
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当CompletableFuture
的计算结果完成,或者抛出异常的时候,我们可以执行特定的Action
。主要是下面的方法:
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public CompletableFuture
public CompletableFuture
public CompletableFuture
public CompletableFuture |
可以看到Action
的类型是BiConsumer super T,? super Throwable>
,它可以处理正常的计算结果,或者异常情况。
方法不以Async
结尾,意味着Action
使用相同的线程执行,而Async
可能会使用其它的线程去执行(如果使用相同的线程池,也可能会被同一个线程选中执行)。
注意这几个方法都会返回CompletableFuture
,当Action
执行完毕后它的结果返回原始的CompletableFuture
的计算结果或者返回异常。
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public class Main {
private static Random rand = new Random();
private static long t = System.currentTimeMillis();
static int getMoreData() {
System.out.println(
"begin to start compute");
try {
Thread.sleep(
10000);
}
catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(
"end to start compute. passed " + (System.currentTimeMillis() - t)/1000 + " seconds");
return rand.nextInt(1000);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
CompletableFuture
Future
System.out.println(v);
System.out.println(e);
});
System.out.println(f.get());
System.in.read();
}
}
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exceptionally
方法返回一个新的CompletableFuture,当原始的CompletableFuture抛出异常的时候,就会触发这个CompletableFuture的计算,调用function计算值,否则如果原始的CompletableFuture正常计算完后,这个新的CompletableFuture也计算完成,它的值和原始的CompletableFuture的计算的值相同。也就是这个exceptionally
方法用来处理异常的情况。
下面一组方法虽然也返回CompletableFuture对象,但是对象的值和原来的CompletableFuture计算的值不同。当原先的CompletableFuture的值计算完成或者抛出异常的时候,会触发这个CompletableFuture对象的计算,结果由BiFunction
参数计算而得。因此这组方法兼有whenComplete
和转换的两个功能。
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public CompletableFuture handle(BiFunction super T,Throwable,? extends U> fn)
public CompletableFuture handleAsync(BiFunction super T,Throwable,? extends U> fn)
public CompletableFuture handleAsync(BiFunction super T,Throwable,? extends U> fn, Executor executor)
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同样,不以Async
结尾的方法由原来的线程计算,以Async
结尾的方法由默认的线程池ForkJoinPool.commonPool()
或者指定的线程池executor
运行。
CompletableFuture
可以作为monad(单子)和functor。由于回调风格的实现,我们不必因为等待一个计算完成而阻塞着调用线程,而是告诉CompletableFuture
当计算完成的时候请执行某个function
。而且我们还可以将这些操作串联起来,或者将CompletableFuture
组合起来。
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public CompletableFuture thenApply(Function super T,? extends U> fn)
public CompletableFuture thenApplyAsync(Function super T,? extends U> fn)
public CompletableFuture thenApplyAsync(Function super T,? extends U> fn, Executor executor)
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这一组函数的功能是当原来的CompletableFuture计算完后,将结果传递给函数fn
,将fn
的结果作为新的CompletableFuture
计算结果。因此它的功能相当于将CompletableFuture
转换成CompletableFuture
。
这三个函数的区别和上面介绍的一样,不以Async
结尾的方法由原来的线程计算,以Async
结尾的方法由默认的线程池ForkJoinPool.commonPool()
或者指定的线程池executor
运行。Java的CompletableFuture类总是遵循这样的原则,下面就不一一赘述了。
使用例子如下:
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CompletableFuture
return 100;
});
CompletableFuture
System.out.println(f.get());
//"1000"
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需要注意的是,这些转换并不是马上执行的,也不会阻塞,而是在前一个stage完成后继续执行。
它们与handle
方法的区别在于handle
方法会处理正常计算值和异常,因此它可以屏蔽异常,避免异常继续抛出。而thenApply
方法只是用来处理正常值,因此一旦有异常就会抛出。
上面的方法是当计算完成的时候,会生成新的计算结果(thenApply
, handle
),或者返回同样的计算结果whenComplete
,CompletableFuture
还提供了一种处理结果的方法,只对结果执行Action
,而不返回新的计算值,因此计算值为Void
:
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public CompletableFuture
public CompletableFuture
public CompletableFuture |
看它的参数类型也就明白了,它们是函数式接口Consumer
,这个接口只有输入,没有返回值。
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CompletableFuture
return 100;
});
CompletableFuture
System.out.println(f.get());
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thenAcceptBoth
以及相关方法提供了类似的功能,当两个CompletionStage都正常完成计算的时候,就会执行提供的action
,它用来组合另外一个异步的结果。runAfterBoth
是当两个CompletionStage都正常完成计算的时候,执行一个Runnable,这个Runnable并不使用计算的结果。
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public CompletableFuture
public CompletableFuture
public CompletableFuture
public CompletableFuture |
例子如下:
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CompletableFuture
return 100;
});
CompletableFuture
System.out.println(f.get());
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更彻底地,下面一组方法当计算完成的时候会执行一个Runnable,与thenAccept
不同,Runnable并不使用CompletableFuture计算的结果。
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public CompletableFuture
public CompletableFuture
public CompletableFuture |
因此先前的CompletableFuture计算的结果被忽略了,这个方法返回CompletableFuture
类型的对象。
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CompletableFuture
return 100;
});
CompletableFuture
System.out.println(f.get());
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因此,你可以根据方法的参数的类型来加速你的记忆。
Runnable
类型的参数会忽略计算的结果,Consumer
是纯消费计算结果,BiConsumer
会组合另外一个CompletionStage
纯消费,Function
会对计算结果做转换,BiFunction
会组合另外一个CompletionStage
的计算结果做转换。
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public CompletableFuture thenCompose(Function super T,? extends CompletionStage> fn)
public CompletableFuture thenComposeAsync(Function super T,? extends CompletionStage> fn)
public CompletableFuture thenComposeAsync(Function super T,? extends CompletionStage> fn, Executor executor)
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这一组方法接受一个Function作为参数,这个Function的输入是当前的CompletableFuture的计算值,返回结果将是一个新的CompletableFuture,这个新的CompletableFuture会组合原来的CompletableFuture和函数返回的CompletableFuture。因此它的功能类似:
A +--> B +---> C
记住,thenCompose
返回的对象并不一是函数fn
返回的对象,如果原来的CompletableFuture
还没有计算出来,它就会生成一个新的组合后的CompletableFuture。
例子:
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CompletableFuture
return 100;
});
CompletableFuture
return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
return (i * 10) + "";
});
});
System.out.println(f.get());
//1000
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而下面的一组方法thenCombine
用来复合另外一个CompletionStage的结果。它的功能类似:
A +
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+------> C
+------^
B +
other
并不会等待先前的
CompletableFuture
执行完毕后再执行。
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public CompletableFuture
public CompletableFuture
public CompletableFuture |
其实从功能上来讲,它们的功能更类似thenAcceptBoth
,只不过thenAcceptBoth
是纯消费,它的函数参数没有返回值,而thenCombine
的函数参数fn
有返回值。
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CompletableFuture
return 100;
});
CompletableFuture
return "abc";
});
CompletableFuture
System.out.println(f.get());
//abc-100
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thenAcceptBoth
和runAfterBoth
是当两个CompletableFuture都计算完成,而我们下面要了解的方法是当任意一个CompletableFuture计算完成的时候就会执行。
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public CompletableFuture
public CompletableFuture
public CompletableFuture
public CompletableFuture applyToEither(CompletionStage extends T> other, Function super T,U> fn)
public CompletableFuture applyToEitherAsync(CompletionStage extends T> other, Function super T,U> fn)
public CompletableFuture applyToEitherAsync(CompletionStage extends T> other, Function super T,U> fn, Executor executor)
|
acceptEither
方法是当任意一个CompletionStage完成的时候,action
这个消费者就会被执行。这个方法返回CompletableFuture
applyToEither
方法是当任意一个CompletionStage完成的时候,fn
会被执行,它的返回值会当作新的CompletableFuture
的计算结果。
下面这个例子有时会输出100
,有时候会输出200
,哪个Future先完成就会根据它的结果计算。
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Random rand =
new Random();
CompletableFuture
try {
Thread.sleep(
10000 + rand.nextInt(1000));
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return 100;
});
CompletableFuture
try {
Thread.sleep(
10000 + rand.nextInt(1000));
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return 200;
});
CompletableFuture |
allOf
和 anyOf
前面我们已经介绍了几个静态方法:completedFuture
、runAsync
、supplyAsync
,下面介绍的这两个方法用来组合多个CompletableFuture。
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public static CompletableFuture
public static CompletableFuture
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allOf
方法是当所有的CompletableFuture
都执行完后执行计算。anyOf
方法是当任意一个CompletableFuture
执行完后就会执行计算,计算的结果相同。
下面的代码运行结果有时是100,有时是"abc"。但是anyOf
和applyToEither
不同。anyOf
接受任意多的CompletableFuture但是applyToEither
只是判断两个CompletableFuture,anyOf
返回值的计算结果是参数中其中一个CompletableFuture的计算结果,applyToEither
返回值的计算结果却是要经过fn
处理的。当然还有静态方法的区别,线程池的选择等。
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Random rand =
new Random();
CompletableFuture
try {
Thread.sleep(
10000 + rand.nextInt(1000));
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return 100;
});
CompletableFuture
try {
Thread.sleep(
10000 + rand.nextInt(1000));
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "abc";
});
//CompletableFuture
CompletableFuture
System.out.println(f.get());
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我想通过上面的介绍,应该把CompletableFuture的方法和功能介绍完了(cancel
、isCompletedExceptionally()
、isDone()
以及继承于Object的方法无需介绍了, toCompletableFuture()
返回CompletableFuture本身),希望你能全面了解CompletableFuture强大的功能,并将它应用到Java的异步编程中。如果你有使用它的开源项目,可以留言分享一下。
如果你用过Guava的Future类,你就会知道它的Futures
辅助类提供了很多便利方法,用来处理多个Future,而不像Java的CompletableFuture,只提供了allOf
、anyOf
两个方法。 比如有这样一个需求,将多个CompletableFuture组合成一个CompletableFuture,这个组合后的CompletableFuture的计算结果是个List,它包含前面所有的CompletableFuture的计算结果,guava的Futures.allAsList
可以实现这样的功能,但是对于java CompletableFuture,我们需要一些辅助方法:
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public static
CompletableFuture
return allDoneFuture.thenApply(v -> futures.stream().map(CompletableFuture::join).collect(Collectors.
}
public static
List
return sequence(futureList);
}
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或者Java Future转CompletableFuture:
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public static
return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
return future.get();
}
catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}, executor);
}
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github有多个项目可以实现Java CompletableFuture与其它Future (如Guava ListenableFuture)之间的转换,如spotify/futures-extra、future-converter、scala/scala-java8-compat 等。