Java CompletableFuture 并发编程

CompletableFuture 简介

CompletableFuture 在 Java 里面被用于异步编程，异步通常意味着非阻塞，
可以使得我们的任务单独运行在与主线程分离的其他线程中，并且通过回调可
以在主线程中得到异步任务的执行状态，是否完成，和是否异常等信息。
CompletableFuture 实现了 Future, CompletionStage 接口，实现了 Future
接口就可以兼容现在有线程池框架，而 CompletionStage 接口才是异步编程
的接口抽象，里面定义多种异步方法，通过这两者集合，从而打造出了强大的
CompletableFuture 类。

Future 与 CompletableFuture

Futrue 在 Java 里面，通常用来表示一个异步任务的引用，比如我们将任务提
交到线程池里面，然后我们会得到一个 Futrue，在 Future 里面有 isDone 方
法来 判断任务是否处理结束，还有 get 方法可以一直阻塞直到任务结束然后获
取结果，但整体来说这种方式，还是同步的，因为需要客户端不断阻塞等待或
者不断轮询才能知道任务是否完成。

Future 的主要缺点

（1）不支持手动完成

我提交了一个任务，但是执行太慢了，我通过其他路径已经获取到了任务结果，
现在没法把这个任务结果通知到正在执行的线程，所以必须主动取消或者一直
等待它执行完成

（2）不支持进一步的非阻塞调用

通过 Future 的 get 方法会一直阻塞到任务完成，但是想在获取任务之后执行
额外的任务，因为 Future 不支持回调函数，所以无法实现这个功能

（3）不支持链式调用

对于 Future 的执行结果，我们想继续传到下一个 Future 处理使用，从而形成
一个链式的 pipline 调用，这在 Future 中是没法实现的。

（4）不支持多个 Future 合并

比如我们有 10 个 Future 并行执行，我们想在所有的 Future 运行完毕之后，
执行某些函数，是没法通过 Future 实现的。

（5）不支持异常处理

Future 的 API 没有任何的异常处理的 api，所以在异步运行时，如果出了问题
是不好定位的。

CompletableFuture 入门

使用 CompletableFuture

场景:主线程里面创建一个 CompletableFuture，然后主线程调用 get 方法会
阻塞，最后我们在一个子线程中使其终止。

/**
* 主线程里面创建一个 CompletableFuture，然后主线程调用 get 方法会阻塞，最后我们
在一个子线程中使其终止
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception{
	CompletableFuture<String> future = new CompletableFuture<>();
	new Thread(() -> {
		try{
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "子线程开始干活");
			//子线程睡 5 秒
			Thread.sleep(5000);
			//在子线程中完成主线程
			future.complete("success");
		}catch (Exception e){
			e.printStackTrace();
		}
	}, "A").start();
	//主线程调用 get 方法阻塞
	System.out.println("主线程调用 get 方法获取结果为: " + future.get());
	System.out.println("主线程完成,阻塞结束!!!!!!");
}

没有返回值的异步任务

/**
* 没有返回值的异步任务
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception{
	System.out.println("主线程开始");
	//运行一个没有返回值的异步任务
	CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -
	> {
		try {
			System.out.println("子线程启动干活");
			Thread.sleep(5000);
			System.out.println("子线程完成");
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	});
	//主线程阻塞
	future.get();
	System.out.println("主线程结束");
}

有返回值的异步任务

/**
* 没有返回值的异步任务
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception{
	System.out.println("主线程开始");
	//运行一个有返回值的异步任务
	CompletableFuture<String> future =
	CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		try {
			System.out.println("子线程开始任务");
			Thread.sleep(5000);
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return "子线程完成了!";
	});
	//主线程阻塞
	String s = future.get();
	System.out.println("主线程结束, 子线程的结果为:" + s);
}

线程依赖

当一个线程依赖另一个线程时，可以使用 thenApply 方法来把这两个线程串行
化。

private static Integer num = 10;
/**
* 先对一个数加 10,然后取平方
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception{
	System.out.println("主线程开始");
	CompletableFuture<Integer> future =
	CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		try {
			System.out.println("加 10 任务开始");
			num += 10;
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return num;
	}).thenApply(integer -> {
		return num * num;
	});
	Integer integer = future.get();
	System.out.println("主线程结束, 子线程的结果为:" + integer);
}

消费处理结果

thenAccept 消费处理结果, 接收任务的处理结果，并消费处理，无返回结果。

public static void main(String[] args) throws Exception{
	System.out.println("主线程开始");
	CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		try {
			System.out.println("加 10 任务开始");
			num += 10;
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return num;
	}).thenApply(integer -> {
		return num * num;
	}).thenAccept(new Consumer<Integer>() {
		@Override
		public void accept(Integer integer) {
			System.out.println("子线程全部处理完成,最后调用了 accept,结果为:" + integer);
		}
	});
}

异常处理

exceptionally 异常处理,出现异常时触发

public static void main(String[] args) throws Exception{
	System.out.println("主线程开始");
	CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		int i= 1/0;
		System.out.println("加 10 任务开始");
		num += 10;
		return num;
	}).exceptionally(ex -> {
		System.out.println(ex.getMessage());
		return -1;
	});
	System.out.println(future.get());
}

handle 类似于 thenAccept/thenRun 方法,是最后一步的处理调用,但是同时可以处理异常

public static void main(String[] args) throws Exception{
	System.out.println("主线程开始");
	CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		System.out.println("加 10 任务开始");
		num += 10;
		return num;
	}).handle((i,ex) ->{
		System.out.println("进入 handle 方法");
		if(ex != null){
			System.out.println("发生了异常,内容为:" + ex.getMessage());
			return -1;
		}else{
			System.out.println("正常完成,内容为: " + i);
			return i;
		}
	});
	System.out.println(future.get());
}

结果合并

thenCompose 合并两个有依赖关系的 CompletableFutures 的执行结果

public static void main(String[] args) throws Exception{
	System.out.println("主线程开始");
	//第一步加 10
	CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		System.out.println("加 10 任务开始");
		num += 10;
		return num;
	});
	//合并
	CompletableFuture<Integer> future1 = future.thenCompose(i ->
		//再来一个 CompletableFuture
		CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		return i + 1;
	}));
	System.out.println(future.get());
	System.out.println(future1.get());
}

thenCombine 合并两个没有依赖关系的 CompletableFutures 任务

public static void main(String[] args) throws Exception{
	System.out.println("主线程开始");
	CompletableFuture<Integer> job1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		System.out.println("加 10 任务开始");
		num += 10;
		return num;
	});
	CompletableFuture<Integer> job2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		System.out.println("乘以 10 任务开始");
		num = num * 10;
		return num;
	});
	//合并两个结果
	CompletableFuture<Object> future = job1.thenCombine(job2, new
	BiFunction<Integer, Integer, List<Integer>>() {
		@Override
		public List<Integer> apply(Integer a, Integer b) {
			List<Integer> list = new ArrayList<>();
			list.add(a);
			list.add(b);
			return list;
		}
	});
	System.out.println("合并结果为:" + future.get());
}

合并多个任务的结果 allOf 与 anyOf
allOf: 一系列独立的 future 任务，等其所有的任务执行完后做一些事情

/**
* 先对一个数加 10,然后取平方
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception{
	System.out.println("主线程开始");
	List<CompletableFuture> list = new ArrayList<>();
	CompletableFuture<Integer> job1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		System.out.println("加 10 任务开始");
		num += 10;
		return num;
	});
	list.add(job1);
	CompletableFuture<Integer> job2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		System.out.println("乘以 10 任务开始");
		num = num * 10;
		return num;
	});
	list.add(job2);
	CompletableFuture<Integer> job3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		System.out.println("减以 10 任务开始");
		num = num * 10;
		return num;
	});
	list.add(job3);
	CompletableFuture<Integer> job4 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		System.out.println("除以 10 任务开始");
		num = num * 10;
		return num;
	});
	list.add(job4);
	//多任务合并
	List<Integer> collect = list.stream().map(CompletableFuture<Integer>::join)
		.collect(Collectors.toList());
	System.out.println(collect);
}

anyOf: 只要在多个 future 里面有一个返回，整个任务就可以结束，而不需要等到每一个
future 结束

/**
* 先对一个数加 10,然后取平方
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception{
	System.out.println("主线程开始");
	CompletableFuture<Integer>[] futures = new CompletableFuture[4];
	CompletableFuture<Integer> job1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		try{
			Thread.sleep(5000);
			System.out.println("加 10 任务开始");
			num += 10;
			return num;
		}catch (Exception e){
			return 0;
		}
	});
	futures[0] = job1;
	CompletableFuture<Integer> job2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		try{
			Thread.sleep(2000);
			System.out.println("乘以 10 任务开始");
			num = num * 10;
			return num;
		}catch (Exception e){
			return 1;
		}
	});
	futures[1] = job2;
	CompletableFuture<Integer> job3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		try{
			Thread.sleep(3000);
			System.out.println("减以 10 任务开始");
			num = num * 10;
			return num;
		}catch (Exception e){
			return 2;
		}
	});
	futures[2] = job3;
	CompletableFuture<Integer> job4 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
		try{
			Thread.sleep(4000);
			System.out.println("除以 10 任务开始");
			num = num * 10;
			return num;
		}catch (Exception e){
			return 3;
		}
	});
	futures[3] = job4;
	CompletableFuture<Object> future = CompletableFuture.anyOf(futures);
	System.out.println(future.get());
}