Java 并发 - Java CompletableFuture 详解

转载：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。

public class BasicFuture {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10);
        Future<Integer> f = es.submit(() ->{
                // 长时间的异步计算
                // ……
                // 然后返回结果
                return 100;
            });
//        while(!f.isDone())
//            ;
        f.get();
    }
}

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：

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，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。

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。

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. 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。

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。

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。

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:

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：

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：

A +
  |
  +------> C
  +------^
B +

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

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());

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());

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。

9. 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。

10. 参考文档

1. Java 8: Definitive guide to CompletableFuture
2. https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/CompletableFuture.html

3. https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/CompletionStage.html