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CompletableFuture详解（深入解析CompletableFuture的功能和用法）

CompletableFuture详解（深入解析CompletableFuture的功能和用法）

1. CompletableFuture 简介

1.1 概述

CompletableFuture是 Java 8 中引入的一个类，它实现了CompletionStage接口，提供了一组丰富的方法来处理异步操作和多个任务的结果。它支持链式操作，可以方便地处理任务的依赖关系和结果转换。相比于传统的Future接口，CompletableFuture更加灵活和强大。

1.2 优势与特点

CompletableFuture的使用具有以下优势和特点：

  • 异步执行：CompletableFuture允许任务在后台线程中异步执行，不会阻塞主线程，提高了应用程序的响应性和性能。
  • 链式操作：通过CompletableFuture提供的方法，可以方便地对任务进行链式操作，构建复杂的任务依赖关系，实现高效的任务调度和执行。
  • 异常处理：CompletableFuture提供了丰富的异常处理方法，可以处理任务执行过程中可能发生的异常，并实现灵活的错误处理和回退机制。
  • 多任务组合：CompletableFuture支持多个任务的并发执行和结果组合。可以轻松地实现多任务并发处理的场景，提高应用程序的效率和并发性。

2. CompletableFuture 的基本用法

2.1 创建 CompletableFuture 对象

使用CompletableFuture创建异步任务非常简单。可以使用CompletableFuture.supplyAsync() 或CompletableFuture.runAsync() 方法来创建CompletableFuture对象。

2.1.1 使用CompletableFuture.supplyAsync() 方法

使用CompletableFuture.supplyAsync() 方法来创建 CompletableFuture 对象的示例。该方法用于执行具有返回值的任务，并在任务完成时返回结果。

arduino复制代码CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 执行具有返回值的任务
return "任务结果";
});

在上述示例中，我们使用CompletableFuture.supplyAsync() 方法创建一个具有返回值的 CompletableFuture 对象，任务会在默认的 ForkJoinPool 中异步执行。

2.1.2 使用CompletableFuture.runAsync() 方法

除了CompletableFuture.supplyAsync() 方法，CompletableFuture 还提供了CompletableFuture.runAsync() 方法用于执行没有返回值的任务。

java复制代码CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
// 执行没有返回值的任务
});

在上述示例中，我们使用CompletableFuture.runAsync() 方法创建一个没有返回值的 CompletableFuture 对象，任务会在默认的 ForkJoinPool 中异步执行。

2.1.3 指定自定义线程池

我们还可以通过指定自定义线程池来创建 CompletableFuture 对象，以满足特定的并发需求。

java复制代码ExecutorService customExecutor = Executors.newFixedThreadPool(10);
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 执行任务的代码
}, customExecutor);

在上述示例中，我们通过Executors.newFixedThreadPool(10) 创建了一个固定大小为 10 的自定义线程池，并将其传递给CompletableFuture.supplyAsync() 方法来执行异步任务。

2.2 获取任务结果

获取CompletableFuture任务的结果有多种方式。最常用的方式是使用join() 方法阻塞当前线程，直到任务完成并返回结果。

2.2.1 使用join() 方法

join() 方法是 CompletableFuture 类提供的一种获取任务结果的方式，它会阻塞当前线程，直到任务完成并返回结果。

java复制代码CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 执行任务的代码
return "任务结果";
});
String result = future.join();

在上述示例中，我们使用join() 方法获取任务的结果，并将结果赋值给result变量。如果任务还未完成，join() 方法会阻塞当前线程，直到任务完成。

join() 方法和get() 方法非常相似，但join() 方法不会抛出InterruptedException和ExecutionException异常，而是将异常包装在CompletionException中抛出。因此，它更适合在 Lambda 表达式或流式操作中使用。

2.2.2 使用get() 方法

get() 方法也是 CompletableFuture 类提供的一种获取任务结果的方式，它会阻塞当前线程，直到任务完成并返回结果。与join() 方法不同的是，get() 方法会抛出InterruptedException和ExecutionException异常，需要进行异常处理。

java复制代码CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 执行任务的代码
return "任务结果";
});
try {
String result = future.get();
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
// 异常处理逻辑
}

在上述示例中，我们使用get() 方法获取任务的结果，并在可能抛出异常的情况下进行异常处理。如果任务还未完成，get() 方法会阻塞当前线程，直到任务完成。

get() 方法的异常处理较为繁琐，需要捕获InterruptedException和ExecutionException异常，并进行相应的处理。因此，在 Lambda 表达式或流式操作中，推荐使用join() 方法。

2.3 异步回调方法

CompletableFuture 提供了一系列方法来处理任务的完成事件，实现异步回调。我们将逐一介绍这些方法的区别和用法。

thenApply()

方法签名：thenApply(Function<? super T, ? extends U> fn)

  • 输入参数：上一阶段的任务结果类型为 T。
  • 返回值：新阶段的任务结果类型为 U。
  • 功能：对上一阶段的任务结果进行转换操作，并返回一个新的 CompletableFuture 对象。
java复制代码CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 42)
.thenApply(result -> result * 2)
.thenApply(result -> result + 1);

在上述示例中，我们使用 thenApply()方法对上一阶段的结果进行转换，将结果乘以 2，并将转换后的结果加 1。每个 thenApply()方法都返回一个新的 CompletableFuture 对象，可以继续链式调用。

thenAccept()

方法签名：thenAccept(Consumer<? super T> action)

  • 输入参数：上一阶段的任务结果类型为 T。
  • 返回值：CompletableFuture，没有返回值。
  • 功能：对上一阶段的任务结果进行消费操作，没有返回值。
java复制代码CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 42)
.thenAccept(result -> System.out.println("任务结果：" + result));

在上述示例中，我们使用 thenAccept()方法对上一阶段的结果进行消费，将结果打印输出。thenAccept()方法没有返回值，仅用于消费任务结果。

thenRun()

方法签名：thenRun(Runnable action)

  • 输入参数：无。
  • 返回值：CompletableFuture，没有返回值。
  • 功能：在上一阶段任务完成后执行给定的 Runnable 任务，没有输入参数和返回值。
java复制代码CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 42)
.thenRun(() -> System.out.println("任务执行完毕"));

在上述示例中，我们使用 thenRun()方法在上一阶段任务完成后执行一个 Runnable 任务，输出一条任务执行完毕的消息。

2.4 多任务组合回调

CompletableFuture 还提供了一些方法来组合多个任务的结果，实现更复杂的异步处理逻辑。

thenCombine()

方法签名：thenCombine(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<? super T, ? super U, ? extends V> fn)

  • 输入参数：另一个 CompletionStage 对象和一个 BiFunction 函数，函数的输入参数分别为上一阶段的任务结果类型 T 和另一个 CompletionStage 对象的任务结果类型 U，函数的返回值类型为 V。
  • 返回值：新阶段的任务结果类型为 V。
  • 功能：当两个 CompletionStage 对象都完成时，将它们的任务结果传递给给定的 BiFunction 函数进行组合处理，并返回一个新的 CompletableFuture 对象。
java复制代码CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 10);
CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 20);
CompletableFuture<Integer> combinedFuture = future1.thenCombine(future2, (result1, result2) -> result1 + result2);

在上述示例中，我们使用 thenCombine()方法将两个任务的结果进行组合，将它们的结果相加并返回新的 CompletableFuture 对象。

thenCompose()

方法签名：thenCompose(Function<? super T, ? extends CompletionStage> fn)

  • 输入参数：一个 Function 函数，函数的输入参数为上一阶段的任务结果类型 T，函数的返回值为另一个 CompletionStage 对象。
  • 返回值：新阶段的任务结果类型为 U。
  • 功能：当上一阶段的任务完成后，将结果传递给给定的 Function 函数，该函数返回一个新的 CompletionStage 对象，新阶段的任务结果类型为 U。
java复制代码CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 10);
CompletableFuture<Integer> future2 = future1.thenCompose(result -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> result * 2));

在上述示例中，我们使用 thenCompose()方法将上一阶段的结果传递给一个 Function 函数，该函数返回一个新的 CompletionStage 对象。新阶段的任务结果为上一阶段结果的两倍。

allOf()

方法签名：allOf(CompletableFuture<?>… cfs)

  • 输入参数：多个 CompletableFuture 对象。
  • 返回值：CompletableFuture，没有返回值。
  • 功能：等待所有给定的 CompletableFuture 对象都完成，返回一个新的 CompletableFuture 对象。
java复制代码CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 10);
CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 20);
CompletableFuture<Void> allFutures = CompletableFuture.allOf(future1, future2);

在上述示例中，我们使用 allOf()方法等待所有的 CompletableFuture 对象都完成，返回一个新的 CompletableFuture 对象。这样我们就可以在该对象上进行进一步的处理，例如获取各个 CompletableFuture 的结果。

3. 异常处理与错误处理

3.1 异常处理方法

CompletableFuture 提供了多种方法来处理异步任务执行中可能发生的异常。常用的方法有：

  • exceptionally(Function<Throwable, ? extends T> fn) ：当 CompletableFuture 执行过程中发生异常时，使用指定的函数进行异常处理，并返回一个新的 CompletableFuture 对象，其中包含处理结果或默认值。
java复制代码CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
throw new RuntimeException("任务执行异常");
});
CompletableFuture<Integer> handledFuture = future.exceptionally(ex -> {
System.out.println("异常处理：" + ex.getMessage());
return 0; // 默认值
});
  • handle(BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn) ：当 CompletableFuture 执行完成时，使用指定的函数处理结果或异常，并返回一个新的 CompletableFuture 对象。
java复制代码CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 42);
CompletableFuture<String> handledFuture = future.handle((result, ex) -> {
if (ex != null) {
System.out.println("异常处理：" + ex.getMessage());
return "默认值";
} else {
return "结果：" + result;
}
});

3.2 错误处理与异常链

CompletableFuture 还支持异常链，可以将多个 CompletableFuture 的异常连接起来，形成异常链。可以使用exceptionally() 或handle() 方法来实现异常链的处理。

java复制代码CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
throw new RuntimeException("任务执行异常");
});
CompletableFuture<Integer> handledFuture = future.exceptionally(ex -> {
System.out.println("异常处理：" + ex.getMessage());
throw new CustomException("自定义异常", ex);
});

在上述示例中，我们通过exceptionally() 方法处理任务的异常，并抛出一个自定义异常，并将原始异常作为异常链的一部分传递下去。

4. 自定义线程池与资源管理

4.1 默认线程池与 ForkJoinPool

CompletableFuture 默认使用 ForkJoinPool 线程池来执行异步任务。ForkJoinPool 是一种基于工作窃取算法的线程池，适用于任务分解和并行计算。

java复制代码CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 异步任务的代码
});

在上述代码中，CompletableFuture 会在默认的 ForkJoinPool 中异步执行任务。

4.2 自定义线程池

除了使用默认线程池，我们还可以自定义线程池来满足特定的需求。自定义线程池可以通过Executors类来创建。

java复制代码ExecutorService customExecutor = Executors.newFixedThreadPool(10);
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 异步任务的代码
}, customExecutor);

在上述代码中，我们创建了一个固定大小为 10 的自定义线程池，并将其传递给 CompletableFuture 来执行异步任务。

4.3 资源管理与关闭线程池

在使用自定义线程池时，需要注意及时关闭线程池以释放资源。可以使用ExecutorService的shutdown() 或shutdownNow() 方法来关闭线程池。

java复制代码ExecutorService customExecutor = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 异步任务代码
customExecutor.shutdown();

在上述代码中，我们在任务完成后调用了shutdown() 方法来关闭线程池。

5. 并发任务的调度与控制

5.1 异步任务的并发度控制

CompletableFuture 允许我们控制并发任务的执行数量。可以通过自定义线程池的大小来限制并发度。

java复制代码ExecutorService customExecutor = Executors.newFixedThreadPool(5);
CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 异步任务1的代码
}, customExecutor);
CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 异步任务2的代码
}, customExecutor);
// ...

在上述代码中，我们通过自定义线程池的大小为 5 来限制并发任务的数量。

5.2 任务的超时处理

CompletableFuture 还提供了超时处理的功能，可以控制任务的最大执行时间。可以使用completeOnTimeout() 方法来实现超时处理。

java复制代码CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 异步任务的代码
}).completeOnTimeout("默认值", 5, TimeUnit.SECONDS);

在上述代码中，我们指定任务的最大执行时间为 5 秒，如果任务在规定时间内没有完成，将返回默认值。

5.3 中断与取消任务

在某些情况下，我们可能需要中断或取消正在执行的任务。CompletableFuture 提供了cancel() 方法来取消任务的执行。

java复制代码CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 异步任务的代码
});
boolean canceled = future.cancel(true);

在上述代码中，我们调用cancel() 方法来取消任务的执行，并传递一个布尔值表示是否中断正在执行的任务。

6. CompletableFuture 的进阶应用

6.1 CompletableFuture 与 IO 操作

CompletableFuture 在处理 IO 操作时非常有用。可以将 IO 操作封装为 CompletableFuture 任务，利用 CompletableFuture 的异步特性提高 IO 操作的效率。

java复制代码CompletableFuture<String> readData = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 执行读取数据的IO操作
return "读取的数据";
});
CompletableFuture<Void> processData = readData.thenAccept(data -> {
// 处理读取到的数据
System.out.println("读取到的数据：" + data);
// 执行处理数据的操作
});
CompletableFuture<Void> writeData = processData.thenRun(() -> {
// 执行写入数据的IO操作
System.out.println("数据写入完成");
});
writeData.join();

在上述代码中，我们使用 CompletableFuture 处理了一个包含读取数据、处理数据和写入数据的 IO 操作流程。通过异步执行和链式操作，可以有效地利用 CPU 和 IO 资源，提高程序的响应性和吞吐量。

6.2 CompletableFuture 与网络请求

CompletableFuture 也可以很好地与网络请求结合使用。我们可以使用 CompletableFuture 发起多个网络请求，并在所有请求完成后处理结果。

java复制代码CompletableFuture<String> request1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 发起网络请求1
return "请求1结果";
});
CompletableFuture<String> request2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 发起网络请求2
return "请求2结果";
});
CompletableFuture<String> request3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
// 发起网络请求3
return "请求3结果";
});
CompletableFuture<Void> allRequests = CompletableFuture.allOf(request1, request2, request3);
allRequests.thenRun(() -> {
// 所有请求完成后的处理逻辑
String result1 = request1.join();
String result2 = request2.join();
String result3 = request3.join();
// 对请求结果进行处理
});

在上述代码中，我们使用 CompletableFuture 发起了三个网络请求，并通过allOf()方法等待所有请求完成。在所有请求完成后，我们可以使用join() 方法获取各个请求的结果，并进行后续处理。

7. 实战案例

业务背景： 在电商项目的售后业务中，当客服接收到用户的售后申请时，需要进行一系列操作，包括查询订单信息、查询 ERP 中的商品信息、查询用户信息，以及创建售后工单。

代码实现：

java复制代码public CompletableFuture<Void> processAfterSalesRequest(String orderId, String customerId) {
CompletableFuture<Order> orderFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> getOrderInfo(orderId));
CompletableFuture<Inventory> inventoryFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> getInventoryInfo(orderId));
CompletableFuture<User> userFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> getUserInfo(customerId));
return CompletableFuture.allOf(orderFuture, inventoryFuture, userFuture)
.thenApplyAsync(ignored -> {
Order order = orderFuture.join();
Inventory inventory = inventoryFuture.join();
User user = userFuture.join();
// 创建售后工单
createAfterSalesTicket(order, inventory, user);
return null;
});
}
private Order getOrderInfo(String orderId) {
// 查询订单信息的逻辑
// ...
return order;
}
private Inventory getInventoryInfo(String orderId) {
// 查询ERP中商品信息的逻辑
// ...
return inventory;
}
private User getUserInfo(String customerId) {
// 查询用户信息的逻辑
// ...
return user;
}
private void createAfterSalesTicket(Order order, Inventory inventory, User user) {
// 创建售后工单的逻辑
// ...
}

在上述代码中，我们使用CompletableFuture.supplyAsync() 方法分别查询订单信息、ERP 中的商品信息和用户信息，然后使用CompletableFuture.allOf() 方法等待所有查询任务完成。完成后，我们可以通过join() 方法获取各个查询任务的结果，并将结果传递给createAfterSalesTicket() 方法来创建售后工单。

8. 总结

CompletableFuture 是提供了丰富的功能和方法。它能简化并发任务处理，提高系统性能和响应性。通过了解其基本用法、进阶应用和最佳实践，我们可以灵活处理异步回调、任务组合、异常处理和资源管理。

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