并发编程-CompletableFuture解析 | 京东物流技术团队
1、CompletableFuture介绍
CompletableFuture对象是JDK1.8版本新引入的类，这个类实现了两个接口，一个是Future接口，一个是CompletionStage接口。
CompletionStage接口是JDK1.8版本提供的接口，用于异步执行中的阶段处理，CompletionStage定义了一组接口用于在一个阶段执行结束之后，要么继续执行下一个阶段，要么对结果进行转换产生新的结果等，一般来说要执行下一个阶段都需要上一个阶段正常完成，这个类也提供了对异常结果的处理接口
2、CompletableFuture的API
2.1 提交任务
在CompletableFuture中提交任务有以下几种方式：
public static CompletableFuture runAsync(Runnable runnable)
public static CompletableFuture runAsync(Runnable runnable, Executor executor)
public static CompletableFuture supplyAsync(Supplier supplier)
public static CompletableFuture supplyAsync(Supplier supplier, Executor executor)
这四个方法都是用来提交任务的，不同的是supplyAsync提交的任务有返回值，runAsync提交的任务没有返回值。两个接口都有一个重载的方法，第二个入参为指定的线程池，如果不指定，则默认使用ForkJoinPool.commonPool()线程池。在使用的过程中尽量根据不同的业务来指定不同的线程池，方便对不同线程池进行监控，同时避免业务共用线程池相互影响。
2.2 结果转换
2.2.1 thenApply
public CompletableFuture thenApply(Function fn)
public CompletableFuture thenApplyAsync(Function fn)
public CompletableFuture thenApplyAsync(Function fn, Executor executor)
thenApply这一组函数入参是Function，意思是将上一个CompletableFuture执行结果作为入参，再次进行转换或者计算，重新返回一个新的值。
2.2.2 handle
public CompletableFuture handle(BiFunction fn)
public CompletableFuture handleAsync(BiFunction fn)
public CompletableFuture handleAsync(BiFunction fn, Executor executor)
handle这一组函数入参是BiFunction，该函数式接口有两个入参一个返回值，意思是处理上一个CompletableFuture的处理结果，同时如果有异常，需要手动处理异常。
2.2.3 thenRun
public CompletableFuture thenRun(Runnable action)
public CompletableFuture thenRunAsync(Runnable action)
public CompletableFuture thenRunAsync(Runnable action, Executor executor)
thenRun这一组函数入参是Runnable函数式接口，该接口无需入参和出参，这一组函数是在上一个CompletableFuture任务执行完成后，在执行另外一个接口，不需要上一个任务的结果，也不需要返回值，只需要在上一个任务执行完成后执行即可。
2.2.4 thenAccept
public CompletableFuture thenAccept(Consumer action)
public CompletableFuture thenAcceptAsync(Consumer action)
public CompletableFuture thenAcceptAsync(Consumer action, Executor executor)
thenAccept这一组函数的入参是Consumer，该函数式接口有一个入参，没有返回值，所以这一组接口的意思是处理上一个CompletableFuture的处理结果，但是不返回结果。
2.2.5 thenAcceptBoth
public CompletableFuture thenAcceptBoth(CompletionStage other, BiConsumer action)
public CompletableFuture thenAcceptBothAsync(CompletionStage other, BiConsumer action)
public CompletableFuture thenAcceptBothAsync(CompletionStage other, BiConsumer action, Executor executor)
thenAcceptBoth这一组函数入参包括CompletionStage以及BiConsumer，CompletionStage是JDK1.8新增的接口，在JDK中只有一个实现类：CompletableFuture，所以第一个入参就是CompletableFuture，这一组函数是用来接受两个CompletableFuture的返回值，并将其组合到一起。BiConsumer这个函数式接口有两个入参，并且没有返回值，BiConsumer的第一个入参就是调用方CompletableFuture的执行结果，第二个入参就是thenAcceptBoth接口入参的CompletableFuture的执行结果。所以这一组函数意思是将两个CompletableFuture执行结果合并到一起。
2.2.6 thenCombine
public CompletableFuture thenCombine(CompletionStage other, BiFunction fn)
public CompletableFuture thenCombineAsync(CompletionStage other, BiFunction fn)
public CompletableFuture thenCombineAsync(CompletionStage other, BiFunction fn, Executor executor)
thenCombine这一组函数和thenAcceptBoth类似，入参都包含一个CompletionStage，也就是CompletableFuture对象，意思也是组合两个CompletableFuture的执行结果，不同的是thenCombine的第二个入参为BiFunction，该函数式接口有两个入参，同时有一个返回值。所以与thenAcceptBoth不同的是，thenCombine将两个任务结果合并后会返回一个全新的值作为出参。
2.2.7 thenCompose
public CompletableFuture thenCompose(Function> fn)
public CompletableFuture thenComposeAsync(Function> fn)
public CompletableFuture thenComposeAsync(Function> fn, Executor executor)
thenCompose这一组函数意思是将调用方的执行结果作为Function函数的入参，同时返回一个新的CompletableFuture对象。
2.3 回调方法
public CompletableFuture whenComplete(BiConsumer action)
public CompletableFuture whenCompleteAsync(BiConsumer action)
public CompletableFuture whenCompleteAsync(BiConsumer action, Executor executor)
whenComplete方法意思是当上一个CompletableFuture对象任务执行完成后执行该方法。BiConsumer函数式接口有两个入参没有返回值，这两个入参第一个是CompletableFuture任务的执行结果，第二个是异常信息。表示处理上一个任务的结果，如果有异常，则需要手动处理异常，与handle方法的区别在于，handle方法的BiFunction是有返回值的，而BiConsumer是没有返回值的。
以上方法都有一个带有Async的方法，带有Async的方法表示是异步执行的，会将该任务放到线程池中执行，同时该方法会有一个重载的方法，最后一个参数为Executor，表示异步执行可以指定线程池执行。为了方便进行控制，最好在使用CompletableFuture时手动指定我们的线程池。
2.4 异常处理
public CompletableFuture exceptionally(Function fn)
exceptionally是用来处理异常的，当任务抛出异常后，可以通过exceptionally来进行处理，也可以选择使用handle来进行处理，不过两者有些不同，hand是用来处理上一个任务的结果，如果有异常情况，就处理异常。而exceptionally可以放在CompletableFuture处理的最后，作为兜底逻辑来处理未知异常。
2.5 获取结果
public static CompletableFuture allOf(CompletableFuture... cfs)
public static CompletableFuture allOf是需要入参中所有的CompletableFuture任务执行完成，才会进行下一步；
anyOf是入参中任何一个CompletableFuture任务执行完成都可以执行下一步。
public T get() throws InterruptedException, ExecutionException
public T get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException
public T getNow(T valueIfAbsent)
public T join()
get方法一个是不带超时时间的，一个是带有超时时间的。
getNow方法则是立即返回结果，如果还没有结果，则返回默认值，也就是该方法的入参。
join方法是不带超时时间的等待任务完成。
3、CompletableFuture原理
join方法同样表示获取结果，但是join与get方法有什么区别呢。
public T join() {
Object r;
return reportJoin((r = result) == null ? waitingGet(false) : r);
}
public T get() throws InterruptedException, ExecutionException {
Object r;
return reportGet((r = result) == null ? waitingGet(true) : r);
}
public T get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
Object r;
long nanos = unit.toNanos(timeout);
return reportGet((r = result) == null ? timedGet(nanos) : r);
}
public T getNow(T valueIfAbsent) {
Object r;
return ((r = result) == null) ? valueIfAbsent : reportJoin(r);
}
以上是CompletableFuture类中两个方法的代码，可以看到两个方法几乎一样。区别在于reportJoin/reportGet，waitingGet方法是一致的，只不过参数不一样，我们在看下reportGet与reportJoin方法。
private static T reportGet(Object r)
throws InterruptedException, ExecutionException {
if (r == null) // by convention below, null means interrupted
throw new InterruptedException();
if (r instanceof AltResult) {
Throwable x, cause;
if ((x = ((AltResult)r).ex) == null)
return null;
if (x instanceof CancellationException)
throw (CancellationException)x;
if ((x instanceof CompletionException) &&
(cause = x.getCause()) != null)
x = cause;
throw new ExecutionException(x);
}
@SuppressWarnings("unchecked") T t = (T) r;
return t;
}
private static T reportJoin(Object r) {
if (r instanceof AltResult) {
Throwable x;
if ((x = ((AltResult)r).ex) == null)
return null;
if (x instanceof CancellationException)
throw (CancellationException)x;
if (x instanceof CompletionException)
throw (CompletionException)x;
throw new CompletionException(x);
}
@SuppressWarnings("unchecked") T t = (T) r;
return t;
}
可以看到这两个方法很相近，reportGet方法判断了r对象是否为空，并抛出了中断异常，而reportJoin方法没有判断，同时reportJoin抛出的都是运行时异常，所以join方法也是无需手动捕获异常的。
我们在看下waitingGet方法
private Object waitingGet(boolean interruptible) {
Signaller q = null;
boolean queued = false;
int spins = -1;
Object r;
while ((r = result) == null) {
if (spins < 0)
spins = SPINS;
else if (spins > 0) {
if (ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed() >= 0)
--spins;
}
else if (q == null)
q = new Signaller(interruptible, 0L, 0L);
else if (!queued)
queued = tryPushStack(q);
else if (interruptible && q.interruptControl < 0) {
q.thread = null;
cleanStack();
return null;
}
else if (q.thread != null && result == null) {
try {
ForkJoinPool.managedBlock(q);
} catch (InterruptedException ie) {
q.interruptControl = -1;
}
}
}
if (q != null) {
q.thread = null;
if (q.interruptControl < 0) {
if (interruptible)
r = null; // report interruption
else
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
postComplete();
return r;
}
该waitingGet方法是通过while的方式循环判断是否任务已经完成并产生结果，如果结果为空，则会一直在这里循环，这里需要注意的是在这里初始化了一下spins=-1，当第一次进入while循环的时候，spins是-1，这时会将spins赋值为一个常量，该常量为SPINS。
private static final int SPINS = (Runtime.getRuntime().availableProcessors() > 1 ?
1 << 8 : 0);
这里判断可用CPU数是否大于1，如果大于1，则该常量为 1<< 8，也就是256，否则该常量为0。
第二次进入while循环的时候，spins是256大于0，这里做了减一的操作，下次进入while循环，如果还没有结果，依然是大于0继续做减一的操作，此处用来做短时间的自旋等待结果，只有当spins等于0，后续会进入正常流程判断。
我们在看下timedGet方法的源码
private Object timedGet(long nanos) throws TimeoutException {
if (Thread.interrupted())
return null;
if (nanos <= 0L)
throw new TimeoutException();
long d = System.nanoTime() + nanos;
Signaller q = new Signaller(true, nanos, d == 0L ? 1L : d); // avoid 0
boolean queued = false;
Object r;
// We intentionally don't spin here (as waitingGet does) because
// the call to nanoTime() above acts much like a spin.
while ((r = result) == null) {
if (!queued)
queued = tryPushStack(q);
else if (q.interruptControl < 0 || q.nanos <= 0L) {
q.thread = null;
cleanStack();
if (q.interruptControl < 0)
return null;
throw new TimeoutException();
}
else if (q.thread != null && result == null) {
try {
ForkJoinPool.managedBlock(q);
} catch (InterruptedException ie) {
q.interruptControl = -1;
}
}
}
if (q.interruptControl < 0)
r = null;
q.thread = null;
postComplete();
return r;
}
timedGet方法依然是通过while循环的方式来判断是否已经完成，timedGet方法入参为一个纳秒值，并通过该值计算出一个deadline截止时间，当while循环还未获取到任务结果且已经达到截止时间，则抛出一个TimeoutException异常。
4、CompletableFuture实现多线程任务
这里我们通过CompletableFuture来实现一个多线程处理异步任务的例子。
这里我们创建10个任务提交到我们指定的线程池中执行，并等待这10个任务全部执行完毕。
每个任务的执行流程为第一次先执行加法，第二次执行乘法，如果发生异常则返回默认值，当10个任务执行完成后依次打印每个任务的结果。
public void demo() throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
// 1、自定义线程池
ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(5, 10,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new LinkedBlockingQueue<>(100));
// 2、集合保存future对象
List> futures = new ArrayList<>(10);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int finalI = i;
CompletableFuture future = CompletableFuture
// 提交任务到指定线程池
.supplyAsync(() -> this.addValue(finalI), executorService)
// 第一个任务执行结果在此处进行处理
.thenApplyAsync(k -> this.plusValue(finalI, k), executorService)
// 任务执行异常时处理异常并返回默认值
.exceptionally(e -> this.defaultValue(finalI, e));
// future对象添加到集合中
futures.add(future);
}
// 3、等待所有任务执行完成，此处最好加超时时间
CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[0])).get(5, TimeUnit.MINUTES);
for (CompletableFuture future : futures) {
Integer num = future.get();
System.out.println("任务执行结果为：" + num);
}
System.out.println("任务全部执行完成！");
}
private Integer addValue(Integer index) {
System.out.println("第" + index + "个任务第一次执行");
if (index == 3) {
int value = index / 0;
}
return index + 3;
}
private Integer plusValue(Integer index, Integer num) {
System.out.println("第" + index + "个任务第二次执行，上次执行结果：" + num);
return num * 10;
}
private Integer defaultValue(Integer index, Throwable e) {
System.out.println("第" + index + "个任务执行异常！" + e.getMessage());
e.printStackTrace();
return 10;
}
作者：京东物流 丁冬
来源：京东云开发者社区 自猿其说Tech