[转]Java CompletableFuture 详解

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。


 

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:


 

Google guava也提供了通用的扩展Future:ListenableFutureSettableFuture 以及辅助类Futures等,方便异步编程。


 

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。

主动完成计算

CompletableFuture类实现了CompletionStageFuture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。


 

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:


 

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:


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:


当然你也可以抛出一个异常,而不是一个成功的计算结果:


完整的代码如下:


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:obtrudeValueobtrudeException,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。

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


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:


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:


计算结果完成时的处理

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:


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。


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。


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。

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。


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:


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。

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(thenApplyhandle),或者返回同样的计算结果whenCompleteCompletableFuture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:


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。


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。


例子如下:


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。


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。


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。

组合


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:


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。


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。


Either

thenAcceptBothrunAfterBoth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。


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。


辅助方法 allOf 和 anyOf

前面我们已经介绍了几个静态方法:completedFuturerunAsyncsupplyAsync,下面介绍的这两个方法用来组合多个CompletableFuture。


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anyOfapplyToEither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。


我想通过上面的介绍,应该把CompletableFuture的方法和功能介绍完了(cancelisCompletedExceptionally()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。

更进一步

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allOfanyOf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:


 

或者Java Future转CompletableFuture:


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-extrafuture-converterscala/scala-java8-compat 等。

本文作者:大席
首发网站:大席的博客
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