Java8新特性整理之CompletableFuture：組合式、非同步程式設計

使用CompletableFuture構建非同步應用

Future 介面的侷限性

Future介面可以構建非同步應用，但依然有其侷限性。它很難直接表述多個Future 結果之間的依賴性。實際開發中，我們經常需要達成以下目的：

• 將兩個非同步計算合併為一個——這兩個非同步計算之間相互獨立，同時第二個又依賴於第一個的結果。
• 等待 Future 集合中的所有任務都完成。
• 僅等待 Future集合中最快結束的任務完成（有可能因為它們試圖通過不同的方式計算同一個值），並返回它的結果。
• 通過程式設計方式完成一個Future任務的執行（即以手工設定非同步操作結果的方式）。
• 應對 Future 的完成事件（即當 Future 的完成事件發生時會收到通知，並能使用 Future 計算的結果進行下一步的操作，不只是簡單地阻塞等待操作的結果）

新的CompletableFuture類將使得這些成為可能。

CompletableFuture

JDK1.8才新加入的一個實現類CompletableFuture，實現了Future<T>, CompletionStage<T>兩個介面。

當一個Future可能需要顯示地完成時，使用CompletionStage

當兩個及以上執行緒同時嘗試完成、異常完成、取消一個CompletableFuture時，只有一個能成功。

CompletableFuture實現了CompletionStage介面的如下策略：

1. 為了完成當前的CompletableFuture介面或者其他完成方法的回撥函式的執行緒，提供了非非同步的完成操作。

2. 沒有顯式入參Executor的所有async方法都使用ForkJoinPool.commonPool()為了簡化監視、除錯和跟蹤，所有生成的非同步任務都是標記介面AsynchronousCompletionTask的例項。

3. 所有的CompletionStage方法都是獨立於其他共有方法實現的，因此一個方法的行為不會受到子類中其他方法的覆蓋。

CompletableFuture實現了Futurre介面的如下策略：

1. CompletableFuture無法直接控制完成，所以cancel操作被視為是另一種異常完成形式。方法isCompletedExceptionally可以用來確定一個CompletableFuture是否以任何異常的方式完成。

2. 以一個CompletionException為例，方法get()和get(long,TimeUnit)丟擲一個ExecutionException，對應CompletionException。為了在大多數上下文中簡化用法，這個類還定義了方法join()和getNow，而不是直接在這些情況中直接丟擲CompletionException。

CompletableFuture中4個非同步執行任務靜態方法：

public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier) {
        return asyncSupplyStage(asyncPool, supplier);
    }

public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier,Executor executor) {
    return asyncSupplyStage(screenExecutor(executor), supplier);
}

public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable) {
    return asyncRunStage(asyncPool, runnable);
}

public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor) {
    return asyncRunStage(screenExecutor(executor), runnable);
}

其中supplyAsync用於有返回值的任務，runAsync則用於沒有返回值的任務。Executor引數可以手動指定執行緒池，否則預設ForkJoinPool.commonPool()系統級公共執行緒池，
注意：這些執行緒都是Daemon執行緒，主執行緒結束Daemon執行緒不結束，只有JVM關閉時，生命週期終止。

異常處理

CompletableFuture實現了Future介面，因此你可以像Future那樣使用它。

其次，CompletableFuture並非一定要交給執行緒池執行才能實現非同步，你可以像下面這樣實現非同步執行：

@Test
public void test1() throws ExecutionException, InterruptedException {
    CompletableFuture<String> completableFuture = new CompletableFuture<>();
    new Thread(() -> {
        // 模擬執行耗時任務
        System.out.println("task doing...");
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 告訴completableFuture任務已經完成
        completableFuture.complete("ok");
    }).start();
    // 獲取任務結果，如果沒有完成會一直阻塞等待
    String result = completableFuture.get();
    System.out.println("計算結果:" + result);
}

如果沒有意外，上面發的程式碼工作得很正常。但是，如果任務執行過程中產生了異常會怎樣呢？

非常不幸，這種情況下你會得到一個相當糟糕的結果：異常會被限制在執行任務的執行緒的範圍內，最終會殺死該執行緒，而這會導致等待get方法返回結果的執行緒永久地被阻塞。

客戶端可以使用過載版本的get 方法，它使用一個超時引數來避免發生這樣的情況。這是一種值得推薦的做法，你應該儘量在你的程式碼中新增超時判斷的邏輯，避免發生類似的問題。

使用這種方法至少能防止程式永久地等待下去，超時發生時，程式會得到通知發生了TimeoutException 。不過，也因為如此，你不能確定執行任務的執行緒內到底發生了什麼問題。

為了能獲取任務執行緒內發生的異常，你需要使用
CompletableFuture的completeExceptionally方法將導致CompletableFuture內發生問題的異常丟擲。這樣，當執行任務發生異常時，呼叫get()方法的執行緒將會收到一個 ExecutionException異常，該異常接收了一個包含失敗原因的Exception 引數。

@Test
public void test2() throws ExecutionException, InterruptedException {
    CompletableFuture<String> completableFuture = new CompletableFuture<>();
    new Thread(() -> {
        // 模擬執行耗時任務
        System.out.println("task doing...");
        try {
            Thread.sleep(3000);
            int i = 1/0;
        } catch (Exception e) {
            // 告訴completableFuture任務發生異常了
            completableFuture.completeExceptionally(e);
        }
        // 告訴completableFuture任務已經完成
        completableFuture.complete("ok");
    }).start();
    // 獲取任務結果，如果沒有完成會一直阻塞等待
    String result = completableFuture.get();
    System.out.println("計算結果:" + result);
}

舉個栗子

JDK CompletableFuture 自帶多工組合方法allOf和anyOf

allOf是等待所有任務完成，構造後CompletableFuture完成

anyOf是隻要有一個任務完成，構造後CompletableFuture就完成

其它方法的中文解釋檢視此文☞ https://www.jianshu.com/p/6f3ee90ab7d3

public class CompletableFutureDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Long start = System.currentTimeMillis();
        // 結果集
        List<String> list = new ArrayList<>();

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);

        List<Integer> taskList = Arrays.asList(2, 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10);
        // 全流式處理轉換成CompletableFuture[]+組裝成一個無返回值CompletableFuture，join等待執行完畢。返回結果whenComplete獲取
        CompletableFuture[] cfs = taskList.stream()
                .map(integer -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> calc(integer), executorService)
                                .thenApply(h->Integer.toString(h))
                                .whenComplete((s, e) -> {
                                    System.out.println("任務"+s+"完成!result="+s+"，異常 e="+e+","+new Date());
                                    list.add(s);
                                })
                ).toArray(CompletableFuture[]::new);
        // 封裝後無返回值，必須自己whenComplete()獲取
        CompletableFuture.allOf(cfs).join();
        System.out.println("list="+list+",耗時="+(System.currentTimeMillis()-start));
    }

    public static Integer calc(Integer i) {
        try {
            if (i == 1) {
                Thread.sleep(3000);//任務1耗時3秒
            } else if (i == 5) {
                Thread.sleep(5000);//任務5耗時5秒
            } else {
                Thread.sleep(1000);//其它任務耗時1秒
            }
            System.out.println("task執行緒：" + Thread.currentThread().getName()
                    + "任務i=" + i + ",完成！+" + new Date());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return i;
    }
}

常用多執行緒併發，取結果歸集的幾種實現方案