第四站：Java紫——多线程与并发的神秘之地（二）

深入线程池与Future/Promise异步编程

在Java并发编程的征途上，理解线程池的使用和掌握异步编程模型是不可或缺的一环。接下来，我们将深入探讨ExecutorService线程池的创建与使用，以及如何利用Future和CompletableFuture进行异步编程，进一步提升程序的性能与响应速度。

线程池：ExecutorService

线程池是一种预先创建好一定数量线程的机制，可以复用线程，减少线程创建销毁的开销，有效控制系统的并发规模。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class ThreadPoolExample {public static void main(String[] args) {ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); // 创建固定大小线程池for (int i = 0; i < 5; i++) {Runnable worker = new WorkerThread("" + i);executor.execute(worker); // 提交任务到线程池}executor.shutdown(); // 关闭线程池，不再接受新任务while (!executor.isTerminated()) {// 等待所有任务完成}System.out.println("所有任务完成，线程池关闭。");}
}class WorkerThread implements Runnable {private final String command;WorkerThread(String s) {this.command = s;}@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始执行: " + command);processCommand();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 结束执行: " + command);}private void processCommand() {try {Thread.sleep(5000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

Executors类提供了多种线程池创建工厂方法，如newFixedThreadPool创建固定大小线程池。
execute(Runnable)用于提交不需要返回值的任务。
正确关闭线程池，使用shutdown()和isTerminated()确保所有任务完成。

Future与异步编程

Future代表异步计算的结果，提供了检查计算是否完成、获取计算结果以及取消计算的方法。

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;public class FutureExample {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();Future<Integer> future = executor.submit(new Callable<Integer>() {@Overridepublic Integer call() throws Exception {Thread.sleep(2000);return 42; // 模拟耗时操作并返回结果}});System.out.println("Doing something else...");System.out.println("Result: " + future.get()); // 获取计算结果，会阻塞直到结果可用executor.shutdown();}
}

使用submit(Callable)提交一个有返回值的任务，返回Future对象。
future.get()会阻塞直到结果可用，适用于同步等待结果的场景。

CompletableFuture：更强大的异步编程

CompletableFuture是Java 8引入的，它提供了丰富的链式调用API，支持非阻塞式的异步编程模型和更复杂的组合操作。

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class CompletableFutureExample {public static void main(String[] args) {ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello", executor).thenApplyAsync(s -> s + " World", executor).thenAcceptAsync(result -> System.out.println(result), executor).join(); // 非阻塞等待所有任务完成executor.shutdown();}
}

supplyAsync(Supplier<U>)异步供应结果。
thenApply(Function<? super T,? extends U>)接收上一步的计算结果，并应用函数产生新结果。
thenAccept(Consumer<? super T>)消费上一步的结果，无返回值。
join()等待异步结果完成，非阻塞版本的get()。

通过上述示例，我们不仅学习了如何使用线程池来有效管理线程资源，还掌握了如何通过Future和CompletableFuture进行异步编程，以提升应用的响应性和并发处理能力。异步编程和线程池的结合，是现代Java应用提升性能和用户体验的关键技术之一。

深入线程池与Future/Promise异步编程：案例深化与高级应用

在进一步探讨线程池与异步编程的深度应用时，我们将通过更加复杂的案例来理解如何高效利用线程池处理批量任务，以及如何在实际场景中运用CompletableFuture进行异步处理和组合操作，实现高度灵活和高效的并发编程。

批量任务处理与线程池优化

想象一个场景，我们需要批量下载一系列图片，并在下载完成后对每张图片进行处理。这涉及到大量I/O密集型操作，非常适合使用线程池来提高效率。

import java.io.IOException;
import java.net.URL;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;public class BatchImageDownloader {private static final int THREAD_POOL_SIZE = 10;private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_POOL_SIZE);public static void downloadAndProcessImages(List<String> imageUrlList) {List<Future<Void>> futures = new ArrayList<>();for (String imageUrl : imageUrlList) {Future<Void> future = executor.submit(() -> {byte[] imageBytes = downloadImage(imageUrl);processImage(imageBytes);return null;});futures.add(future);}// 等待所有任务完成for (Future<Void> future : futures) {try {future.get();} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {e.printStackTrace();}}}private static byte[] downloadImage(String imageUrl) throws IOException {// 这里简略表示下载过程，实际应用中需要实现网络请求下载逻辑System.out.println("Downloading image from " + imageUrl);// 模拟下载操作Thread.sleep(1000);return new byte[0]; // 返回下载的图片字节数组}private static void processImage(byte[] imageBytes) {// 图片处理逻辑，这里简略表示System.out.println("Processing image...");}public static void main(String[] args) {List<String> urls = new ArrayList<>();urls.add("http://example.com/image1.jpg");urls.add("http://example.com/image2.jpg");// ... 添加更多图片URLdownloadAndProcessImages(urls);executor.shutdown();}
}

通过批量提交下载任务至线程池，实现了并发下载和处理。
使用Future列表来追踪所有任务的状态，确保所有任务完成后才继续执行后续逻辑。
正确关闭线程池，确保资源释放。

CompletableFuture高级应用：组合异步操作

假设我们要实现一个服务，它需要先从数据库查询用户信息，然后基于用户ID从外部API获取更多数据，最后整合这些信息返回。这是一个典型的异步流程，非常适合使用CompletableFuture来实现。

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class CompletableFutureAdvanced {private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);public static CompletableFuture<UserProfile> fetchUserProfile(String userId) {return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 模拟从数据库获取用户基本信息User user = getUserFromDB(userId);return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 模拟从外部API获取用户扩展信息UserProfile externalInfo = getExternalUserProfile(userId);return new UserProfile(user, externalInfo);}, executor);}).thenCompose(Function.identity());}// 模拟数据库查询方法private static User getUserFromDB(String userId) {System.out.println("Fetching user from DB: " + userId);return new User(userId, "John Doe"); // 返回模拟的用户对象}// 模拟外部API调用方法private static UserProfile getExternalUserProfile(String userId) {System.out.println("Fetching external info for: " + userId);return new UserProfile("Additional Info for " + userId); // 返回模拟的扩展信息}public static void main(String[] args) {String userId = "123";CompletableFuture<UserProfile> profileFuture = fetchUserProfile(userId);profileFuture.thenAccept(profile -> {System.out.println("User Profile Ready: " + profile);});executor.shutdown();}static class User {String id;String name;User(String id, String name) {this.id = id;this.name = name;}}static class UserProfile {User user;String additionalInfo;UserProfile(User user, String additionalInfo) {this.user = user;this.additionalInfo = additionalInfo;}@Overridepublic String toString() {return "UserProfile{" +"user=" + user +", additionalInfo='" + additionalInfo + '\'' +'}';}}
}