Java 异步编程进阶：CompletableFuture 完全指南

在现代应用程序开发中，异步编程已经成为不可或缺的一部分。Java提供了许多用于异步编程的工具和框架，其中最强大的之一是 CompletableFuture。CompletableFuture 不仅简化了异步任务的管理，而且提供了丰富的 API，使得开发人员可以轻松地实现复杂的异步操作。本文将深入探讨 CompletableFuture 的使用方法和最佳实践，帮助您充分利用这一强大的工具。

一、Future接口以及它的局限性

我们都知道，Java中创建线程的方式主要有两种方式，继承Thread或者实现Runnable接口。但是这两种都是有一个共同的缺点，那就是都无法获取到线程执行的结果，也就是没有返回值。于是在JDK1.5 以后为了解决这种没有返回值的问题，提供了Callable和Future接口以及Future对应的实现类FutureTask，通过FutureTask的就可以获取到异步执行的结果。
于是乎，我们想要开启异步线程，执行任务，获取结果，就可以这么实现。

 FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(() -> "三友");new Thread(futureTask).start();System.out.println(futureTask.get());

或者使用线程池的方式

ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
Future<String> future = executorService.submit(() -> "三友");
System.out.println(future.get());
executorService.shutdown();

线程池底层也是将提交的Callable的实现先封装成FutureTask，然后通过execute方法来提交任务，执行异步逻辑。

二、Future接口的局限性

虽然通过Future接口的get方法可以获取任务异步执行的结果，但是get方法会阻塞主线程，也就是异步任务没有完成，主线程会一直阻塞，直到任务结束。
Future也提供了isDone方法来查看异步线程任务执行是否完成，如果完成，就可以获取任务的执行结果，代码如下。

ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
Future<String> future = executorService.submit(() -> "三友");
while (!future.isDone()) {//任务有没有完成，没有就继续循环判断
}
System.out.println(future.get());
executorService.shutdown();

但是这种轮询查看异步线程任务执行状态，也是非常消耗cpu资源。
同时对于一些复杂的异步操作任务的处理，可能需要各种同步组件来一起完成。
所以，通过上面的介绍可以看出，Future在使用的过程中还是有很强的局限性，所以为了解决这种局限性，在JDK1.8的时候，Doug Lea 大神为我们提供了一种更为强大的类CompletableFuture。

三、CompletableFuture 简介

CompletableFuture 是 Java 8 引入的一个类，用于异步编程。它实现了 Future 接口，并添加了许多额外的方法，使得异步编程更加灵活和强大。与传统的 Future 相比，CompletableFuture 允许我们显式地完成一个异步任务，而不必等待其完成。

四、CompletableFuture常见api详解

1. 创建 CompletableFuture

首先，让我们看看如何创建一个 CompletableFuture 实例。CompletableFuture 提供了两个静态方法来执行异步任务：supplyAsync 和 runAsync。

1.1 supplyAsync 方法

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 执行异步任务，返回结果return "Hello, CompletableFuture!";
});

supplyAsync 方法接受一个 Supplier 接口作为参数，该接口代表一个有返回值的异步任务。

1.2 runAsync 方法

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {// 执行异步任务，无返回结果
});

runAsync 方法接受一个 Runnable 接口作为参数，该接口代表一个没有返回值的异步任务。

2. 异步任务链

CompletableFuture 提供了一系列方法来构建异步任务链，使得多个异步任务能够按照特定的顺序依次执行。

2.1 thenApply 方法

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 执行异步任务，返回结果return "Hello";
}).thenApply(result -> result + ", CompletableFuture!");

thenApply 方法接受一个 Function 接口作为参数，用于处理上一个任务的结果，并返回一个新的 CompletableFuture。

2.2 thenAccept 方法

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 执行异步任务，返回结果return "Hello";
}).thenAccept(result -> {// 处理任务结果，无返回值System.out.println("Result: " + result);
});

thenAccept 方法接受一个 Consumer 接口作为参数，用于处理上一个任务的结果，但不返回任何结果。

2.3 thenCompose 方法

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello").thenCompose(result -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> result + ", CompletableFuture!"));

thenCompose 方法接受一个 Function 接口作为参数，用于处理上一个任务的结果，并返回一个新的 CompletableFuture。与 thenApply 不同的是，thenCompose 返回的 CompletableFuture 是一个扁平化的结果，而不是嵌套的 CompletableFuture。

3. 异常处理

在异步编程中，异常处理是至关重要的一部分。CompletableFuture 提供了多种方法来处理异步任务中可能发生的异常。

3.1 exceptionally 方法

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 执行异步任务，可能抛出异常throw new RuntimeException("Oops! Something went wrong.");
}).exceptionally(ex -> {// 处理异常情况，并返回默认值System.out.println("Exception occurred: " + ex.getMessage());return "Default Value";
});

exceptionally 方法用于处理异常情况，并返回一个默认值或者处理结果。

3.2 handle 方法

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 执行异步任务，可能抛出异常throw new RuntimeException("Oops! Something went wrong.");
}).handle((result, ex) -> {// 处理任务结果或异常，并返回处理后的结果if (ex != null) {System.out.println("Exception occurred: " + ex.getMessage());return "Default Value";}return result;
});

handle 方法接受一个 BiFunction 接口作为参数，用于处理任务的结果或异常，并返回一个新的结果。

4. 组合多个 CompletableFuture

有时候，我们需要等待多个异步任务都完成后才执行下一步操作。CompletableFuture 提供了 allOf 和 anyOf 方法来实现这一目的。

4.1 allOf 方法

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "CompletableFuture");CompletableFuture<Void> allFutures = CompletableFuture.allOf(future1, future2);
allFutures.thenRun(() -> {// 所有任务完成后执行下一步操作
});

allOf 方法接受多个 CompletableFuture 作为参数，并返回一个新的 CompletableFuture，当所有的 CompletableFuture 都完成时，该 CompletableFuture 才会完成。

4.2 anyOf 方法

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 模拟耗时任务1try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}return "Result from Task 1";
});CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 模拟耗时任务2try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}return "Result from Task 2";
});CompletableFuture<Object> anyFuture = CompletableFuture.anyOf(future1, future2);
anyFuture.thenAccept(result -> {// 输出第一个完成的任务结果System.out.println("First completed task result: " + result);
});

anyOf 方法接受多个 CompletableFuture 作为参数，并返回一个新的 CompletableFuture，当任意一个 CompletableFuture 完成时，该 CompletableFuture 就会完成。

当然，还有一些其它的api，可以自行查看

五、CompletableFuture在RocketMQ中的使用

CompletableFuture在RocketMQ中的使用场景比较多，这里我举一个消息存储的场景。
在RocketMQ中，Broker接收到生产者产生的消息的时候，会将消息持久化到磁盘和同步到从节点中。持久化到磁盘和消息同步到从节点是两个独立的任务，互不干扰，可以相互独立执行。当消息持久化到磁盘和同步到从节点中任务完成之后，需要统计整个存储消息消耗的时间，所以统计整个存储消息消耗的时间是依赖前面两个任务的完成。

实现代码如下
消息存储刷盘任务和主从复制任务：

PutMessageResult putMessageResult = new PutMessageResult(PutMessageStatus.PUT_OK, result);
// 提交刷盘的请求
CompletableFuture<PutMessageStatus> flushResultFuture = submitFlushRequest(result, msg);
//提交主从复制的请求
CompletableFuture<PutMessageStatus> replicaResultFuture = submitReplicaRequest(result, msg);//刷盘 和 主从复制 两个异步任务通过thenCombine联合
return flushResultFuture.thenCombine(replicaResultFuture, (flushStatus, replicaStatus) -> {// 当两个刷盘和主从复制任务都完成的时候，就会回调// 如果刷盘没有成功，那么就将消息存储的状态设置为失败if (flushStatus != PutMessageStatus.PUT_OK) {putMessageResult.setPutMessageStatus(flushStatus);}// 如果主从复制没有成功，那么就将消息存储的状态设置为失败if (replicaStatus != PutMessageStatus.PUT_OK) {putMessageResult.setPutMessageStatus(replicaStatus);}// 最终返回消息存储的结果return putMessageResult;
});

对上面两个合并的任务执行结果通过thenAccept方法进行监听，统计消息存储的耗时：

//消息存储的开始时间
long beginTime = this.getSystemClock().now();
// 存储消息，然后返回 CompletableFuture,也就是上面一段代码得返回值‍
CompletableFuture<PutMessageResult> putResultFuture = this.commitLog.asyncPutMessage(msg);//监听消息存储的结果
putResultFuture.thenAccept((result) -> {// 消息存储完成之后会回调long elapsedTime = this.getSystemClock().now() - beginTime;if (elapsedTime > 500) {log.warn("putMessage not in lock elapsed time(ms)={}, bodyLength={}", elapsedTime, msg.getBody().length);}this.storeStatsService.setPutMessageEntireTimeMax(elapsedTime);if (null == result || !result.isOk()) {this.storeStatsService.getPutMessageFailedTimes().add(1);}
});

六、CompletableFuture 的优势

当涉及异步编程时，CompletableFuture 显露出许多优点：

  1. 灵活性：CompletableFuture 提供了丰富的
    API，使得异步任务的管理和处理变得更加灵活和高效。它可以很容易地与现有的同步和异步 API
    集成，并允许开发人员轻松地构建复杂的异步任务链。
  2. 组合和链式调用：CompletableFuture 允许开发人员使用 thenApply、thenAccept、thenCompose
    等方法构建异步任务链，使得多个异步任务能够按照特定的顺序依次执行，从而实现更加复杂的业务逻辑。
  3. 异常处理：CompletableFuture 提供了 exceptionally、handle
    等方法来处理异步任务中可能发生的异常。这使得开发人员能够更加方便地捕获和处理异常情况，从而提高了代码的健壮性和可靠性。
  4. 组合多个 CompletableFuture：CompletableFuture 提供了 allOf 和 anyOf 方法来组合多个
    CompletableFuture，使得开发人员能够等待多个异步任务都完成后才执行下一步操作，或者在任意一个异步任务完成时立即执行下一步操作。
  5. 异步任务取消：CompletableFuture 允许开发人员取消正在执行的异步任务，从而节省系统资源并提高程序的响应速度。通过调用
    cancel 方法，可以立即中止异步任务的执行，并抛出 CancellationException 异常。
  6. 可读性和维护性：相较于传统的 Future 接口，CompletableFuture
    的代码更加简洁、清晰，并且更容易理解和维护。它提供了更加直观和流畅的 API，使得异步编程变得更加愉快和高效。

综上所述，CompletableFuture 作为 Java 异步编程的利器，具有灵活性高、功能强大、易于使用等诸多优点，可以极大地提高开发人员的工作效率和代码质量。因此，它已经成为现代 Java 开发中不可或缺的一部分。

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