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一文精通✌️CompletableFuture的使用

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「这是我参与2022首次更文挑战的第2天,活动详情查看:2022首次更文挑战」。

前言

创建线程的方式只有两种:继承Thread或者实现Runnable接口。 但是这两种方法都存在一个缺陷,没有返回值

Java 1.5 以后,可以通过向线程池提交一个Callable来获取一个包含返回值的Future对象

Future接口的局限性

当Future的线程进行了一个非常耗时的操作,那我们的主线程也就阻塞了。

当我们在简单业务上,可以使用Future的另一个重载方法get(long,TimeUnit)来设置超时时间,避免我们的主线程被无穷尽地阻塞。

单纯使用Future接口或者FutureTask类并不能很好地完成以下我们所需的业务

  • 将两个异步计算合并为一个,这两个异步计算之间相互独立,同时第二个又依赖于第一个的结果
  • 等待Future集合中的所有任务都完成。
  • 仅等待Future集合种最快结束的任务完成,并返回它的结果。
  • 通过编程方式完成一个Future任务的执行
  • 当Future的完成时间完成时会收到通知,并能使用Future的计算结果进行下一步的的操作,不只是简单地阻塞等待操作的结果

什么是CompletableFuture

在Java 8中, 新增类: CompletableFuture,结合了Future的优点,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

CompletableFuture被设计在Java中进行异步编程。主线程不用为了任务的完成而阻塞/等待,你可以用主线程去并行执行其他的任务。 使用这种并行方式,极大地提升了程序的表现。

  • CompletableFuture实现了Future接口,因此有异步执行返回结果的能力。
  • CompletableFuture实现了CompletionStage接口,该接口是Java8新增得一个接口,用于异步执行中的阶段处理,其大量用在Lambda表达式计算过程中,目前只有CompletableFuture一个实现类。
public class CompletableFuture<T> implements Future<T>, CompletionStage<T> {

方法命名规则

  • 带有Async后缀方法都是异步另外线程执行,没有就是复用之前任务的线程

  • 带有Apply标识方法都是可以获取返回值+有返回值的

  • 带有Accept标识方法都是可以获取返回值

  • 带有run标识的方法不可以获取返回值和无返回值,只是运行

get方法和join方法

  • join:阻塞获取结果或抛出非受检异常。
  • get: 阻塞获取结果或抛出受检测异常,需要显示进行try...catch处理

不同线程池使用

默认线程池执行

/**
 * 默认线程池
 * 运行结果:
 * main.................start.....
 * main.................end......
 * 当前线程:ForkJoinPool.commonPool-worker-9
 * 运行结果:5
 */
@Test
public void defaultThread() {
    System.out.println("main.................start.....");
    CompletableFuture.runAsync(() -> {
        System.out.println("当前线程:" + Thread.currentThread().getName());
        int i = 10 / 2;
        System.out.println("运行结果:" + i);
    });
    System.out.println("main.................end......");
}

默认使用 ForkJoinPool.commonPool(),commonPool是一个会被很多任务共享的线程池,commonPool 设计时的目标场景是运行 非阻塞的 CPU 密集型任务,为最大化利用 CPU,其线程数默认为 CPU 数量- 1

  • 哪些地方使用了commonPool
    • CompletableFuture
    • Parallel Streams
  • 为什么要引入commonPool
    • 为了避免任何并行操作都引入一个线程池,最坏情况会导致在单个JVM上创建了太多的池线程,降低效率。
  • commonPool线程池是怎么创建和使用的
    • ForkJoinTask一定会运行在一个ForkJoinPool中,如果没有显式地交它提交到ForkJoinPool,会使用一个common池(全进程共享)来执行任务。

自定义线程池执行

自定义一个线程池

private ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(10, 10,
        0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
        new LinkedBlockingQueue<Runnable>());

使用定义的线程池

/**
 * 自定义线程池
 * 运行结果:
 * main.................start.....
 * main.................end......
 * 当前线程:pool-1-thread-1
 * 运行结果:5
 */
@Test
public void myThread() {
    System.out.println("main.................start.....");
    CompletableFuture.runAsync(() -> {
        System.out.println("当前线程:" + Thread.currentThread().getName());
        int i = 10 / 2;
        System.out.println("运行结果:" + i);
    },executor);
    System.out.println("main.................end......");
}

开启一个异步

runAsync-无返回值

使用runAsync开启一个异步任务线程,该方法无结果返回,适合一些不需要结果的异步任务

/***
 * 无返回值
 *  runAsync
 *  结果:
 * main.................start.....
 * main.................end......
 * 当前线程:33
 * 运行结果:5
 */
@Test
public void runAsync() {
    System.out.println("main.................start.....");
    CompletableFuture.runAsync(() -> {
        System.out.println("当前线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 2;
        System.out.println("运行结果:" + i);
    }, executor);
    System.out.println("main.................end......");
}

supplyAsync-有返回值

使用completableFuture.get()方法获取结果,这时程序会阻塞到这里直到结果返回。

/**
 * 有返回值
 * supplyAsync
 * 结果:
 * main.................start.....
 * 当前线程:33
 * 运行结果:5
 * main.................end.....5
 */
@Test
public void supplyAsync() throws ExecutionException, InterruptedException {
    System.out.println("main.................start.....");
    CompletableFuture<Integer> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("当前线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 2;
        System.out.println("运行结果:" + i);
        return i;
    }, executor);
    System.out.println("main.................end....." + completableFuture.get());
}

如果要超时就得往下执行,请使用completableFuture.get(long timeout, TimeUnit unit)方法。

线程串行化方法

带有Async后缀方法都是异步另外线程执行,没有就是复用之前任务的线程

thenApply-上面任务执行完执行+获取返回值+有返回值

/**
 * 上面任务执行完执行+可以拿到结果+可以返回值
 * 结果:
 * thenApplyAsync当前线程:33
 * thenApplyAsync运行结果:5
 * thenApplyAsync任务2启动了。。。。。上步结果:5
 * main.................end.....hello10
 * 
 * @throws ExecutionException
 * @throws InterruptedException
 */
@Test
public void thenApplyAsync() throws ExecutionException, InterruptedException {

    CompletableFuture<String> thenApplyAsync = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("thenApplyAsync当前线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 2;
        System.out.println("thenApplyAsync运行结果:" + i);
        return i;
    }, executor).thenApplyAsync(result -> {
        System.out.println("thenApplyAsync任务2启动了。。。。。上步结果:" + result);
        return "hello" + result * 2;
    }, executor);
    System.out.println("main.................end....." + thenApplyAsync.get());
}

thenAccept-上面任务执行完执行+获取返回值

/**
 * 上面任务执行完执行+可以拿到结果
 * 结果:
 * thenAcceptAsync当前线程:33
 * thenAcceptAsync运行结果:5
 * thenAcceptAsync任务2启动了。。。。。上步结果:5
 * @throws ExecutionException
 * @throws InterruptedException
 */
@Test
public void thenAcceptAsync() throws ExecutionException, InterruptedException {
    CompletableFuture<Void> thenAcceptAsync = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("thenAcceptAsync当前线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 2;
        System.out.println("thenAcceptAsync运行结果:" + i);
        return i;
    }, executor).thenAcceptAsync(result -> {
        System.out.println("thenAcceptAsync任务2启动了。。。。。上步结果:" + result);
    }, executor);
}

thenRun-上面任务执行完执行

/**
 * 上面任务执行完执行
 * 结果
 * main.................start.....
 * 当前线程:33
 * 运行结果:5
 * 任务2启动了。。。。。
 */
@Test
public void thenRunAsync() throws ExecutionException, InterruptedException {
    System.out.println("main.................start.....");
    CompletableFuture<Void> voidCompletableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("当前线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 2;
        System.out.println("运行结果:" + i);
        return i;
    }, executor).thenRunAsync(() -> {
        System.out.println("任务2启动了。。。。。");
    }, executor);
}

thenCompose-接收返回值并生成新的任务

当原任务完成后接收返回值,返回一个新的任务

  • thenApply()转换的是泛型中的类型,相当于将CompletableFuture 转换生成新的CompletableFuture
  • thenCompose()用来连接两个CompletableFuture,是生成一个新的CompletableFuture。
/**
 * 当原任务完成后接收返回值,返回一个新的任务
 * 结果:
 * hello: thenCompose
 */
@Test
public void thenCompose() {
    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture("hello")
            .thenCompose(str -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                return str + ": thenCompose";
            },executor));
    System.out.println(cf.join());
}

任务组合

thenCombine-消费两个结果+返回结果

/**
 * 两任务组合 都要完成
 * completableFuture.thenCombine()获取两个future返回结果,有返回值
 * 结果:
 * 任务1线程:33
 * 任务1运行结果:5
 * 任务2线程:34
 * 任务2运行结果:
 * 任务5启动。。。结果1:5。。。结果2:hello
 * 任务5结果hello-->5
 */
@Test
public void thenCombine() throws ExecutionException, InterruptedException {
    CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务1线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 2;
        System.out.println("任务1运行结果:" + i);
        return i;
    }, executor);

    CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务2线程:" + Thread.currentThread().getId());
        System.out.println("任务2运行结果:");
        return "hello";
    }, executor);
    CompletableFuture<String> thenCombineAsync = future1.thenCombineAsync(future2, (result1, result2) -> {
        System.out.println("任务5启动。。。结果1:" + result1 + "。。。结果2:" + result2);
        return result2 + "-->" + result1;
    }, executor);
    System.out.println("任务5结果" + thenCombineAsync.get());
}

thenAcceptBoth-消费两个结果+无返回

/**
 * 两任务组合 都要完成
 * completableFuture.thenAcceptBoth() 获取两个future返回结果,无返回值
 * 结果:
 * 任务1线程:33
 * 任务1运行结果:5
 * 任务2线程:34
 * 任务2运行结果:
 * 任务4启动。。。结果1:5。。。结果2:hello
 */
@Test
public void thenAcceptBothAsync() throws ExecutionException, InterruptedException {
    CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务1线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 2;
        System.out.println("任务1运行结果:" + i);
        return i;
    }, executor);

    CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务2线程:" + Thread.currentThread().getId());
        System.out.println("任务2运行结果:");
        return "hello";
    }, executor);

    CompletableFuture<Void> thenAcceptBothAsync = future1.thenAcceptBothAsync(future2, (result1, result2) -> {
        System.out.println("任务4启动。。。结果1:" + result1 + "。。。结果2:" + result2);
    }, executor);

}

runAfterBoth-两个任务完成接着运行

/**
 * 两任务组合 都要完成
 * completableFuture.runAfterBoth() 组合两个future
 * 结果:
 * 任务1线程:33
 * 任务1运行结果:5
 * 任务2线程:34
 * 任务2运行结果:
 * 任务3启动。。。
 */
@Test
public void runAfterBothAsync() {
    CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务1线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 2;
        System.out.println("任务1运行结果:" + i);
        return i;
    }, executor);

    CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务2线程:" + Thread.currentThread().getId());
        System.out.println("任务2运行结果:");
        return "hello";
    }, executor);

    CompletableFuture<Void> runAfterBothAsync = future1.runAfterBothAsync(future2, () -> {
        System.out.println("任务3启动。。。");
    }, executor);

}

两任务完成一个就执行

applyToEither-其中一个执行完执行+获取返回值+有返回值

/**
 * 两任务组合,一个任务完成就执行
 * objectCompletableFuture.applyToEither() 其中一个执行完执行+获取返回值+有返回值
 * 结果:
 * 任务1线程:33
 * 任务2线程:34
 * 任务2运行结果:
 * 任务5开始执行。。。结果:hello
 * 任务5结果:hello world
 * <p>
 * Process finished with exit code 0
 */
@Test
public void applyToEither() throws ExecutionException, InterruptedException {
    CompletableFuture<Object> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务1线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 2;
        try {
            Thread.sleep(3000);
            System.out.println("任务1运行结果:" + i);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return i;
    }, executor);

    CompletableFuture<Object> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务2线程:" + Thread.currentThread().getId());
        System.out.println("任务2运行结果:");
        return "hello";
    }, executor);

    CompletableFuture<String> applyToEitherAsync = future1.applyToEitherAsync(future2, result -> {
        System.out.println("任务5开始执行。。。结果:" + result);
        return result.toString() + " world";
    }, executor);
    System.out.println("任务5结果:" + applyToEitherAsync.get());
}

acceptEither-其中一个执行完执行+获取返回值

/**
 * 两任务组合,一个任务完成就执行
 * objectCompletableFuture.acceptEither() 其中一个执行完执行+获取返回值
 * 结果:
 * 任务1线程:33
 * 任务2线程:34
 * 任务2运行结果:
 * 任务4开始执行。。。结果:hello
 */
@Test
public void acceptEither() {
    CompletableFuture<Object> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务1线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 2;
        try {
            Thread.sleep(3000);
            System.out.println("任务1运行结果:" + i);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return i;
    }, executor);

    CompletableFuture<Object> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务2线程:" + Thread.currentThread().getId());
        System.out.println("任务2运行结果:");
        return "hello";
    }, executor);

    CompletableFuture<Void> acceptEitherAsync = future1.acceptEitherAsync(future2, result -> {
        System.out.println("任务4开始执行。。。结果:" + result);
    }, executor);

}

runAfterEither-有一任务完成就执行

/**
 * 两任务组合,一个任务完成就执行
 * <p>
 * objectCompletableFuture.runAfterEither() 其中一个执行完执行
 * 结果:
 * 任务1线程:33
 * 任务2线程:34
 * 任务2运行结果:
 * 任务3开始执行。。。
 */
@Test
public void runAfterEither() {
    CompletableFuture<Object> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务1线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 2;
        try {
            Thread.sleep(3000);
            System.out.println("任务1运行结果:" + i);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return i;
    }, executor);

    CompletableFuture<Object> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务2线程:" + Thread.currentThread().getId());
        System.out.println("任务2运行结果:");
        return "hello";
    }, executor);

    CompletableFuture<Void> runAfterEitherAsync = future1.runAfterEitherAsync(future2, () -> {
        System.out.println("任务3开始执行。。。");
    }, executor);
}

多任务组合

allOf-等待全部完成后才执行

/**
 * 多任务组合
 * allOf 等待所有任务完成
 * 结果:
 * 任务1
 * 任务3
 * 任务2
 * allOf任务1-------任务2-------任务3
 *
 * @throws ExecutionException
 * @throws InterruptedException
 */
@Test
public void allOf() throws ExecutionException, InterruptedException {
    CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务1");
        return "任务1";
    }, executor);
    CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        try {
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("任务2");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "任务2";
    }, executor);
    CompletableFuture<String> future3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务3");
        return "任务3";
    }, executor);

    CompletableFuture<Void> allOf = CompletableFuture.allOf(future1, future2, future3);
    //等待所有任务完成
    //allOf.get();
    allOf.join();
    System.out.println("allOf" + future1.get() + "-------" + future2.get() + "-------" + future3.get());

}

anyOf-等待其中之一完成后就执行


/**
 * 多任务组合
 * anyOf 只要一个任务完成
 * 结果:
 * 任务1
 * anyOf--最先完成的是任务1
 * 任务3
 * 等等任务2
 * 任务2
 *
 * @throws ExecutionException
 * @throws InterruptedException
 */
@Test
public void anyOf() throws ExecutionException, InterruptedException {
    CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务1");
        return "任务1";
    }, executor);
    CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        try {
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("任务2");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "任务2";
    }, executor);

    CompletableFuture<String> future3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("任务3");
        return "任务3";
    }, executor);
    CompletableFuture<Object> anyOf = CompletableFuture.anyOf(future1, future2, future3);
    System.out.println("anyOf--最先完成的是" + anyOf.get());
    //等待future2打印
    System.out.println("等等任务2");
    Thread.sleep(3000);
}

感知异常

handle-捕获结果或异常并返回新结果

入参为结果或者异常,返回新结果

/**
 * 入参为结果或者异常,返回新结果
 * 结果:
 * main.................start.....
 * 当前线程:33
 * main.................end.....报错返回
 */
@Test
public void handle() throws ExecutionException, InterruptedException {
    System.out.println("main.................start.....");
    final CompletableFuture<String> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("当前线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 0;
        System.out.println("运行结果:" + i);
        return i;
    }, executor).handleAsync((in, throwable) -> {
        if (throwable != null) {
            return "报错返回";
        }
        return "正确了";
    });
    System.out.println("main.................end....." + completableFuture.get());

}

whenComplete-感知结果或异常并返回相应信息

whenComplete虽然得到异常信息,但是不能修改返回信息

/**
 * 有返回值并且有后续操作 whenComplete
 * <p>
 * 结果:
 * main.................start.....
 * 当前线程:33
 * 异步完成。。。。结果是:null...异常是:java.util.concurrent.CompletionException: java.lang.ArithmeticException: 除以零
 * 报错了2
 *
 * @throws ExecutionException
 * @throws InterruptedException
 */
@Test
public void whenComplete() {
    System.out.println("main.................start.....");
    final CompletableFuture<Integer> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("当前线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 0;
        System.out.println("运行结果:" + i);
        return i;
    }, executor).whenComplete((result, throwable) -> {
        //whenComplete虽然得到异常信息,但是不能修改返回信息
        System.out.println("异步完成。。。。结果是:" + result + "...异常是:" + throwable);
    });

    try {
        System.out.println("main.................end..T..." + completableFuture.get());
    } catch (InterruptedException e) {
        System.out.println("报错了1");
    } catch (ExecutionException e) {
        System.out.println("报错了2");
    }
}

exceptionally-捕获异常并返回指定值

/**
 * 方法完成后的感知
 * 感知错误并返回指定值 exceptionally
 * 结果:
 * main.................start.....
 * 当前线程:33
 * 执行了exceptionally
 * main.................end.....0
 * @throws ExecutionException
 * @throws InterruptedException
 */
@Test
public void exceptionally() throws ExecutionException, InterruptedException {
    System.out.println("main.................start.....");
    CompletableFuture<Integer> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("当前线程:" + Thread.currentThread().getId());
        int i = 10 / 0;
        System.out.println("运行结果:" + i);
        return i;
    }, executor).exceptionally(throwable -> {
        //R apply(T t);
        //exceptionally可以感知错误并返回指定值
        System.out.println("执行了exceptionally");
        return 0;
    });
    System.out.println("main.................end....." + completableFuture.get());
}

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