Java并发编程——CompletableFuture详解

一、简介

JDK 5引入了Future模式。Future接口是Java多线程Future模式的实现，在java.util.concurrent包中，可以来进行异步计算。

Future模式是多线程设计常用的一种设计模式。Future模式可以理解成：我有一个任务，提交给了Future，Future替我完成这个任务。期间我自己可以去做任何想做的事情。一段时间之后，我就便可以从Future那儿取出结果。

Future模式的缺点

• Future虽然可以实现获取异步执行结果的需求，但是它没有提供通知的机制，我们无法得知Future什么时候完成。
• 要么使用阻塞，在future.get()的地方等待future返回的结果，这时又变成同步操作。要么使用isDone()轮询地判断Future是否完成，这样会耗费CPU的资源。

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、Guava分别扩展了Java 的 Future 接口，方便异步编程。

Netty扩展了Java的 Future接口，提供了addListener等多个扩展方法：

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 } } });

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。

final String name = ...;inFlight.add(name);ListenableFuture<Result> future = service.query(name);future.addListener(new Runnable() { public void run() { processedCount.incrementAndGet(); inFlight.remove(name); lastProcessed.set(name); logger.info("Done with {0}", name); }}, executor);

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，在Java8中，新增加了一个包含50个方法左右的类: ​​CompletableFuture​​，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，并且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，也提供了转换和组合 CompletableFuture 的方法。

二、Java中的异步计算

异步计算很难推理。通常，我们希望将任何计算都视为一系列步骤，但是在异步计算的情况下，以回调表示的动作往往分散在代码中或彼此深深地嵌套在一起。当我们需要处理其中一个步骤中可能发生的错误时，情况变得更加糟糕。Future是Java 5中添加作为异步计算的结果，但它没有任何方法处理计算可能出现的错误。

Java 8引入了CompletableFuture类。除Future接口外，它还实现了CompletionStage接口。该接口为异步计算步骤定义了合同，我们可以将其与其他步骤结合使用。

Java 8新增的CompletableFuture类正是吸收了所有Google Guava中ListenableFuture和SettableFuture的特征，还提供了其它强大的功能，让Java拥有了完整的非阻塞编程模型：Future、Promise 和 Callback(在Java8之前，只有无Callback 的Future)。

CompletableFuture能够将回调放到与任务不同的线程中执行，也能将回调作为继续执行的同步函数，在与任务相同的线程中执行。它避免了传统回调最大的问题，那就是能够将控制流分离到不同的事件处理器中。

CompletableFuture弥补了Future模式的缺点。在异步的任务完成后，需要用其结果继续操作时，无需等待。可以直接通过thenAccept、thenApply、thenCompose等方式将前面异步处理的结果交给另外一个异步事件处理线程来处理。

三、CompleteFuture全方法说明

3.1 主动完成计算

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。

public T get()public T get(long timeout, TimeUnit unit)public T getNow(T valueIfAbsent)public T join()

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：

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { int i = 1/0; return 100;});//future.join();future.get();

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：

public static CompletableFuture<Integer> compute() { final CompletableFuture<Integer> future = new CompletableFuture<>(); return future;}

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：

f.complete(100);

当然你也可以抛出一个异常，而不是一个成功的计算结果：

f.completeExceptionally(new Exception());

完整的代码如下：

public class BasicMain { public static CompletableFuture<Integer> compute() { final CompletableFuture<Integer> future = new CompletableFuture<>(); return future; } public static void main(String[] args) throws Exception { final CompletableFuture<Integer> f = compute(); class Client extends Thread { CompletableFuture<Integer> f; Client(String threadName, CompletableFuture<Integer> f) { 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(); }}

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。

3.2 创建CompletableFuture对象

CompletableFuture.completedFuture是一个静态辅助方法，用来返回一个已经计算好的CompletableFuture。

public static <U> CompletableFuture<U> completedFuture(U value)

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：

public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable)public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor)public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier)public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

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<U>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：

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { //长时间的计算任务 return "·00";});

3.3 计算结果完成时的处理

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：

public CompletableFuture<T> whenComplete(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action)public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action)public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action, Executor executor)public CompletableFuture<T> exceptionally(Function<Throwable,? extends T> fn)

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。

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<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(Main::getMoreData); Future<Integer> f = future.whenComplete((v, e) -> { System.out.println(v); System.out.println(e); }); System.out.println(f.get()); System.in.read(); }}

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。

public <U> CompletableFuture<U> handle(BiFunction<? super T,Throwable,? extends U> fn)public <U> CompletableFuture<U> handleAsync(BiFunction<? super T,Throwable,? extends U> fn)public <U> CompletableFuture<U> handleAsync(BiFunction<? super T,Throwable,? extends U> fn, Executor executor)

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。

3.4 转换

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。

public <U> CompletableFuture<U> thenApply(Function<? super T,? extends U> fn)public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn)public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn, Executor executor)

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<T>转换成CompletableFuture<U>。

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：

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<String> f = future.thenApplyAsync(i -> i * 10).thenApply(i -> i.toString());System.out.println(f.get()); //"1000"

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。

3.5 纯消费(执行Action)

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。

public CompletableFuture<Void> thenAccept(Consumer<? super T> action)public CompletableFuture<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action)public CompletableFuture<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action, Executor executor)

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。

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<Void> f = future.thenAccept(System.out::println);System.out.println(f.get());

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。

public <U> CompletableFuture<Void> thenAcceptBoth(CompletionStage<? extends U> other, BiConsumer<? super T,? super U> action)public <U> CompletableFuture<Void> thenAcceptBothAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiConsumer<? super T,? super U> action)public <U> CompletableFuture<Void> thenAcceptBothAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiConsumer<? super T,? super U> action, Executor executor)public CompletableFuture<Void> runAfterBoth(CompletionStage<?> other, Runnable action)

例子如下：

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<Void> f = future.thenAcceptBoth(CompletableFuture.completedFuture(10), (x, y) -> System.out.println(x * y));System.out.println(f.get());

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。

public CompletableFuture<Void> thenRun(Runnable action)public CompletableFuture<Void> thenRunAsync(Runnable action)public CompletableFuture<Void> thenRunAsync(Runnable action, Executor executor)

因此先前的CompletableFuture计算的结果被忽略了,这个方法返回CompletableFuture<Void>类型的对象。

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<Void> f = future.thenRun(() -> System.out.println("finished"));System.out.println(f.get());

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。

3.6 组合

public <U> CompletableFuture<U> thenCompose(Function<? super T,? extends CompletionStage<U>> fn)public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(Function<? super T,? extends CompletionStage<U>> fn)public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(Function<? super T,? extends CompletionStage<U>> fn, Executor executor)

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。

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：

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<String> f = future.thenCompose( i -> { return CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return (i * 10) + ""; });});System.out.println(f.get()); //1000

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。 两个CompletionStage是并行执行的，它们之间并没有先后依赖顺序，other并不会等待先前的CompletableFuture执行完毕后再执行。

public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombine(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn)public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn)public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn, Executor executor)

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。

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return "abc";});CompletableFuture<String> f = future.thenCombine(future2, (x,y) -> y + "-" + x);System.out.println(f.get()); //abc-100

3.7 Either

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。

public CompletableFuture<Void> acceptEither(CompletionStage<? extends T> other, Consumer<? super T> action)public CompletableFuture<Void> acceptEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other, Consumer<? super T> action)public CompletableFuture<Void> acceptEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other, Consumer<? super T> action, Executor executor)public <U> CompletableFuture<U> applyToEither(CompletionStage<? extends T> other, Function<? super T,U> fn)public <U> CompletableFuture<U> applyToEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other, Function<? super T,U> fn)public <U> CompletableFuture<U> 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<Void>

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<U>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。

Random rand = new Random();CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(10000 + rand.nextInt(1000)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return 100;});CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(10000 + rand.nextInt(1000)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return 200;});CompletableFuture<String> f = future.applyToEither(future2,i -> i.toString());

3.8 辅助方法 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。

public static CompletableFuture<Void> allOf(CompletableFuture<?>... cfs)public static CompletableFuture<Object> anyOf(CompletableFuture<?>... cfs)

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。

Random rand = new Random();CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(10000 + rand.nextInt(1000)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return 100;});CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(10000 + rand.nextInt(1000)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "abc";});//CompletableFuture<Void> f = CompletableFuture.allOf(future1,future2);CompletableFuture<Object> f = CompletableFuture.anyOf(future1,future2);System.out.println(f.get());

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)，希望能全面了解CompletableFuture强大的功能，并将它应用到Java的异步编程中。

更进一步

如果用过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：

public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequence(List<CompletableFuture<T>> futures) { CompletableFuture<Void> allDoneFuture = CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[futures.size()])); return allDoneFuture.thenApply(v -> futures.stream().map(CompletableFuture::join).collect(Collectors.<T>toList()));}public static <T> CompletableFuture<Stream<T>> sequence(Stream<CompletableFuture<T>> futures) { List<CompletableFuture<T>> futureList = futures.filter(f -> f != null).collect(Collectors.toList()); return sequence(futureList);}

或者Java Future转CompletableFuture:

public static <T> CompletableFuture<T> toCompletable(Future<T> future, Executor executor) { return CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { return future.get(); } catch (InterruptedException | ExecutionException e) { throw new RuntimeException(e); } }, executor);}

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。

参考：​

​​https://www.modb.pro/db/129614​​

​​https://colobu.com/2016/02/29/Java-CompletableFuture/​​

​​https://blog.csdn.net/fengyuyeguirenenen/article/details/125204661​​

​​https://blog.csdn.net/jack_shuai/article/details/115304267​​