本文導讀：

• 業務需求場景介紹
• 技術設計方案思考
• Future 設計模式實戰
• CompletableFuture 模式實戰
• CompletableFuture 生產建議
• CompletableFuture 效能測試
• CompletableFuture 使用擴充套件

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1、業務需求場景介紹

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不變的東西就是一直在變化中。

想必，大家在閒暇時刻，會經常看視訊，經常用的幾個 APP，比如優酷、愛奇藝、騰訊等。

這些視訊 APP 不僅僅可以在手機上播放，還能夠支援在電視上播放。

在電視終端上播放的 APP 是獨立釋出的版本，跟手機端的 APP 是不一樣的。

當我們看一部電影時，點選進入某一部電影，就進入到了專輯詳情頁頁面，此時，播放器會自動播放視訊。使用者在手機上看到的專輯詳情頁，與電視上看到的專輯詳情頁，頁面樣式設計上是不同的。

我們來直觀的看一下效果。

手機上的騰訊視訊專輯詳情頁:

上半部分截圖，下面還有為你推薦、明星演員、周邊推薦、評論等功能。

相應的，在電視端的專輯詳情頁展示方式是不一樣的。假設產品經理提出一個需求，要求對詳情頁做個改版。
樣式要求如下圖所示：

兩個終端的樣式對比，在電視端專輯詳情頁中，包含了很多板塊，每個板塊橫向展示多個內容。

產品的設計上要求是，有的板塊內容來源於推薦、有的板塊來源於搜尋、有的板塊來源CMS（內容管理系統）。簡單理解為，每個板塊內容來源不同，來源於推薦、搜尋等介面的內容要求是近實時的請求。

2、技術設計方案思考

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考慮到產品提的這個需求，其實實現起來並不難。

主要分為了靜態資料部分和動態資料部分，對於不經常變化的資料可以通過靜態介面獲取，對於近乎實時的資料可以通過動態介面獲取。

靜態介面設計：

專輯本身的屬性以及專輯下的視訊資料，一般是不經常變化的。
在需求場景介紹中，我截圖的是電影頻道。如果是電視劇頻道，會展示劇集列表（專輯下的所有視訊，如第 1 集、第 2 集...），而視訊的更新一般是不太頻繁的，所以在專輯詳情頁劇集列表資料就可以從靜態介面獲取。

靜態介面資料生成流程：

另外一部分，就是需要動態介面來實現，呼叫第三方介面獲取資料，比如推薦、搜尋資料。
同時，要求板塊與板塊之間的內容不允許重複。

動態介面設計：

方案一：

序列呼叫，即按照每個板塊的展示先後順序，呼叫相應的第三方介面獲取資料。

方案二：

並行呼叫，即多個板塊之間可以並行呼叫，提高整體介面響應效率。

其實以上兩個方案，各有利弊。

方案一序列呼叫，好處是開發模型簡單，按照序列方式依次呼叫介面，內容資料去重，聚合所有的資料返回給客戶端。

但是，介面響應時間依賴於第三方介面的響應時間，通常第三方介面總是不可靠的，可能就會拉高介面整體響應時間，進而導致佔用執行緒時間過長，影響介面整體吞吐量。

方案二並行呼叫，理論上是可以提高介面的整體響應時間，假設同時呼叫多個第三方介面，取決於最慢的介面響應時間。

並行呼叫時，需要考慮到「池化技術」，即不能無限制的在 JVM 程序上建立過多的執行緒。同時，也要考慮到板塊與板塊之間的內容資料，要按照產品設計上的先後順序做去重。

根據這個需求場景，我們選擇第二種方案來實現更合適一些。

選擇了方案二，我們抽象出如下圖所示的簡易模型：

T1、T2、T3 表示多個板塊內容執行緒。T1 執行緒先返回結果，T2 執行緒返回的結果不能與與 T1 執行緒返回的結果內容重複，T3 執行緒返回的結果不能與 T1、T2 兩個執行緒返回的結果內容重複。

我們從技術實現上考量，當並行呼叫多個第三方介面時，需要獲取介面的返回結果，首先想到的就是 Future ，能夠實現非同步獲取任務結果。

另外，JDK8 提供了 CompletableFuture 易於使用的獲取非同步結果的工具類，解決了 Future 的一些使用上的痛點，以更優雅的方式實現組合式非同步程式設計，同時也契合函數語言程式設計。

3、Future 設計模式實戰

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Future 介面設計：

提供了獲取任務結果、取消任務、判斷任務狀態介面。呼叫獲取任務結果方法，在任務未完成情況下，會導致呼叫阻塞。

Future 介面提供的方法：
```
// 獲取任務結果
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

// 支援超時時間的獲取任務結果
V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

// 判斷任務是否已完成
boolean isDone();

// 判斷任務是否已取消
boolean isCancelled();

// 取消任務
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
```

通常，我們在考慮到使用 Future 獲取任務結果時，會使用 ThreadPoolExecutor 或者 FutureTask 來實現功能需求。

ThreadPoolExecutor、FutureTask 與 Future 介面關係類圖：

TheadPoolExecutor 提供三個 submit 方法：

// 1. 提交無需返回值的任務，Runnable 介面 run() 方法無返回值
public Future<?> submit(Runnable task) {
}

// 2. 提交需要返回值的任務，Callable 介面 call() 方法有返回值
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
}

// 3. 提交需要返回值的任務，任務結果是第二個引數 result 物件
public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
}

第 3 個 submit 方法使用示例如下所示：

static String x = "東昇的思考";
public static void main(String[] args) throws Exception {
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
    // 建立 Result 物件 r
    Result r = new Result();
    r.setName(x);

    // 提交任務
    Future<Result> future =
                    executor.submit(new Task(r), r);
    Result fr = future.get();

    // 下面等式成立
    System.out.println(fr == r);
    System.out.println(fr.getName() == x);
    System.out.println(fr.getNick() == x);
}

static class Result {
    private String name;
    private String nick;
    // ... ignore getter and setter 
}

static class Task implements Runnable {
    Result r;

    // 通過建構函式傳入 result
    Task(Result r) {
            this.r = r;
    }

    @Override
    public void run() {
            // 可以操作 result
            String name = r.getName();
            r.setNick(name);
    }
}

執行結果都是true。

FutureTask 設計實現：

實現了 Runnable 和 Future 兩個介面。實現了 Runnable 介面，說明可以作為任務物件，直接提交給 ThreadPoolExecutor 去執行。實現了 Future 介面，說明能夠獲取執行任務的返回結果。

我們來根據產品的需求，使用 FutureTask 模擬兩個執行緒，通過示例實現下功能。
結合示例程式碼註釋理解：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 建立任務 T1 的 FutureTask，呼叫推薦介面獲取資料
    FutureTask<String> ft1 = new FutureTask<>(new T1Task());
    // 建立任務 T1 的 FutureTask，調用搜索介面獲取資料，依賴 T1 結果
    FutureTask<String> ft2  = new FutureTask<>(new T2Task(ft1));
    // 執行緒 T1 執行任務 ft1
    Thread T1 = new Thread(ft1);
    T1.start();
    // 執行緒 T2 執行任務 ft2
    Thread T2 = new Thread(ft2);
    T2.start();
    // 等待執行緒 T2 執行結果
    System.out.println(ft2.get());
}

// T1Task 呼叫推薦介面獲取資料
static class T1Task implements Callable<String> {
    @Override
    public String call() throws Exception {
            System.out.println("T1: 呼叫推薦介面獲取資料...");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

            System.out.println("T1: 得到推薦介面資料...");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
            return " [T1 板塊資料] ";
    }
}
        
// T2Task 調用搜索介面資料，同時需要推薦介面資料
static class T2Task implements Callable<String> {
    FutureTask<String> ft1;

    // T2 任務需要 T1 任務的 FutureTask 返回結果去重
    T2Task(FutureTask<String> ft1) {
         this.ft1 = ft1;
    }

    @Override
    public String call() throws Exception {
        System.out.println("T2: 調用搜索介面獲取資料...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        System.out.println("T2: 得到搜尋介面的資料...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        // 獲取 T2 執行緒的資料
        System.out.println("T2: 呼叫 T1.get() 介面獲取推薦資料");
        String tf1 = ft1.get();
        System.out.println("T2: 獲取到推薦介面資料:" + tf1);

        System.out.println("T2: 將 T1 與 T2 板塊資料做去重處理");
        return "[T1 和 T2 板塊資料聚合結果]";
    }
}

執行結果如下：

> Task :FutureTaskTest.main()
T1: 呼叫推薦介面獲取資料...
T2: 調用搜索介面獲取資料...
T1: 得到推薦介面資料...
T2: 得到搜尋介面的資料...
T2: 呼叫 T1.get() 介面獲取推薦資料
T2: 獲取到推薦介面資料: [T1 板塊資料] 
T2: 將 T1 與 T2 板塊資料做去重處理
[T1 和 T2 板塊資料聚合結果] 

小結：

Future 表示「未來」的意思，主要是將耗時的一些操作任務，交給單獨的執行緒去執行。從而達到非同步的目的，提交任務的當前執行緒，在提交任務後和獲取任務結果的過程中，當前執行緒可以繼續執行其他操作，不需要在那傻等著返回執行結果。

4、CompleteableFuture 模式實戰

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對於 Future 設計模式，雖然我們提交任務時，不會進入任何阻塞，但是當呼叫方要獲得這個任務的執行結果，還是可能會阻塞直至任務執行完成。

在 JDK1.5 設計之初就一直存在這個問題，發展到 JDK1.8 引入了 CompletableFuture 才得到完美的增強。

在此期間，Google 開源的 Guava 工具包提供了 ListenableFuture ，用於支援任務完成時支援回撥方式，感興趣的朋友們可以自行查閱研究。

在業務需求場景介紹中，不同板塊的資料來源是不同的，並且板塊與板塊之間是存在資料依賴關係的。

可以理解為任務與任務之間是有時序關係的，而根據 CompletableFuture 提供的一些功能特性，是非常適合這種業務場景的。

CompletableFuture 類圖：

CompletableFuture 實現了 Future 和 CompletionStage 兩個介面。實現 Future 介面是為了關注非同步任務什麼時候結束，和獲取非同步任務執行的結果。實現 CompletionStage 介面，其提供了非常豐富的功能，實現了序列關係、並行關係、匯聚關係等。

CompletableFuture 核心優勢：

1）無需手工維護執行緒，給任務分配執行緒的工作無需開發人員關注；

2）在使用上，語義更加清晰明確；

例如：t3 = t1.thenCombine(t2, () -> { // doSomething ... } 能夠明確的表述任務 3 要等任務 2 和 任務 1完成後才會開始執行。

3）程式碼更加簡練，支援鏈式呼叫，讓你更專注業務邏輯。

4）方便的處理異常情況

接下來，通過 CompletableFuture 來模擬實現專輯下多板塊資料聚合處理。

程式碼如下所示：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 暫存資料
    List<String> stashList = Lists.newArrayList();
    // 任務 1：呼叫推薦介面獲取資料
    CompletableFuture<String> t1 =
                    CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                            System.out.println("T1: 獲取推薦介面資料...");
                            sleepSeconds(5);
                            stashList.add("[T1 板塊資料]");
                            return "[T1 板塊資料]";
                    });
    // 任務 2：調用搜索介面獲取資料
    CompletableFuture<String> t2 =
                    CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                            System.out.println("T2: 調用搜索介面獲取資料...");
                            sleepSeconds(3);
                            return " [T2 板塊資料] ";
                    });
    // 任務 3：任務 1 和任務 2 完成後執行，聚合結果
    CompletableFuture<String> t3 =
                    t1.thenCombine(t2, (t1Result, t2Result) -> {
                            System.out.println(t1Result + " 與 " + t2Result + "實現去重邏輯處理");
                            return "[T1 和 T2 板塊資料聚合結果]";
                    });
    // 等待任務 3 執行結果
    System.out.println(t3.get(6, TimeUnit.SECONDS));
}

static void sleepSeconds(int timeout) {
    try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(timeout);
    } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
    }
}

執行結果如下：

> Task :CompletableFutureTest.main()
T1: 獲取推薦介面資料...
T2: 調用搜索介面獲取資料...
[T1 板塊資料] 與  [T2 板塊資料] 實現去重邏輯處理
[T1 和 T2 板塊資料聚合結果]

上述的示例程式碼在 IDEA 中新建個Class，直接複製進去，即可正常執行。

** 5、CompletableFuture 生產建議**

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建立合理的執行緒池：

在生產環境下，不建議直接使用上述示例程式碼形式。因為示例程式碼中使用的
CompletableFuture.supplyAsync(() -> {});
建立 CompletableFuture 物件的 supplyAsync() 方法（這裡使用的工廠方法模式），底層使用的預設執行緒池，不一定能滿足業務需求。

結合底層原始碼來看一下：

// 預設使用 ForkJoinPool 執行緒池
private static final Executor asyncPool = useCommonPool ?
       ForkJoinPool.commonPool() : new ThreadPerTaskExecutor();

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

建立 ForkJoinPool 執行緒池：
預設執行緒池大小是 Runtime.getRuntime().availableProcessors() - 1（CPU 核數 - 1），可以通過 JVM 引數 -Djava.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism 設定執行緒池大小。

JVM 引數上配置 -Djava.util.concurrent.ForkJoinPool.common.threadFactory 設定執行緒工廠類；配置 -Djava.util.concurrent.ForkJoinPool.common.exceptionHandler 設定異常處理類，這兩個引數設定後，內部會通過系統類載入器載入 Class。

如果所有 CompletableFuture 都使用預設執行緒池，一旦有任務執行很慢的 I/O 操作，就會導致所有執行緒都阻塞在 I/O 操作上，進而影響系統整體效能。

所以，建議大家在生產環境使用時，根據不同的業務型別建立不同的執行緒池，以避免互相影響。

CompletableFuture 還提供了另外支援執行緒池的方法。

// 第二個引數支援傳遞 Executor 自定義執行緒池
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier,
                                                       Executor executor) {
        return asyncSupplyStage(screenExecutor(executor), supplier);
}

自定義執行緒池，建議參考 「阿里巴巴 Java 開發手冊」，推薦使用 ThreadPoolExecutor 自定義執行緒池，使用有界佇列，根據實際業務情況設定佇列大小。

執行緒池大小的設定，在 「Java 併發程式設計實戰」一書中，Brian Goetz 提供了不少優化建議。如果執行緒池數量過多，競爭 CPU 和記憶體資源，導致大量時間在上下文切換上。反之，如果執行緒池數量過少，無法充分利用 CPU 多核優勢。

執行緒池大小與 CPU 處理器的利用率之比可以用下面公式估算：

異常處理：

CompletableFuture 提供了非常簡單的異常處理 ，如下這些方法，支援鏈式程式設計方式。

// 類似於 try{}catch{} 中的 catch{}
public CompletionStage<T> exceptionally
        (Function<Throwable, ? extends T> fn);
                
// 類似於 try{}finally{} 中的 finally{}，不支援返回結果
public CompletionStage<T> whenComplete
        (BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action);
public CompletionStage<T> whenCompleteAsync
        (BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action);
                
// 類似於 try{}finally{} 中的 finally{}，支援返回結果
public <U> CompletionStage<U> handle
        (BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn);
public <U> CompletionStage<U> handleAsync
        (BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn);

#### 6、CompletableFuture 效能測試：

迴圈壓測任務數如下所示，每次執行壓測，從 1 到 jobNum 資料疊加匯聚結果，計算耗時。
統計維度：CompletableFuture 預設執行緒池 與 自定義執行緒池。
效能測試程式碼：

// 效能測試程式碼
Arrays.asList(-3, -1, 0, 1, 2, 4, 5, 10, 16, 17, 30, 50, 100, 150, 200, 300).forEach(offset -> {
                    int jobNum = PROCESSORS + offset;
                    System.out.println(
                                    String.format("When %s tasks => stream: %s, parallelStream: %s, future default: %s, future custom: %s",
                                                    testCompletableFutureDefaultExecutor(jobNum), testCompletableFutureCustomExecutor(jobNum)));
});

// CompletableFuture 使用預設 ForkJoinPool 執行緒池
private static long testCompletableFutureDefaultExecutor(int jobCount) {
    List<CompletableFuture<Integer>> tasks = new ArrayList<>();
    IntStream.rangeClosed(1, jobCount).forEach(value -> tasks.add(CompletableFuture.supplyAsync(CompleteableFuturePerfTest::getJob)));

    long start = System.currentTimeMillis();
    int sum = tasks.stream().map(CompletableFuture::join).mapToInt(Integer::intValue).sum();
    checkSum(sum, jobCount);
    return System.currentTimeMillis() - start;
}

// CompletableFuture 使用自定義的執行緒池
private static long testCompletableFutureCustomExecutor(int jobCount) {
    ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(200, 200, 5, TimeUnit.MINUTES, new ArrayBlockingQueue<>(100000), new ThreadFactory() {
            @Override
            public Thread newThread(Runnable r) {
                    Thread thread = new Thread(r);
                    thread.setName("CUSTOM_DAEMON_COMPLETABLEFUTURE");
                    thread.setDaemon(true);
                    return thread;
            }
    }, new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());

    List<CompletableFuture<Integer>> tasks = new ArrayList<>();
    IntStream.rangeClosed(1, jobCount).forEach(value -> tasks.add(CompletableFuture.supplyAsync(CompleteableFuturePerfTest::getJob, threadPoolExecutor)));

    long start = System.currentTimeMillis();
    int sum = tasks.stream().map(CompletableFuture::join).mapToInt(Integer::intValue).sum();
    checkSum(sum, jobCount);
    return System.currentTimeMillis() - start;
}

測試機器配置：8 核CPU，16G記憶體

效能測試結果：

根據壓測結果看到，隨著壓測任務數量越大，使用預設的執行緒池效能越差。

7、CompletableFuture 使用擴充套件：

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物件建立：

除前面提到的 supplyAsync 方法外，CompletableFuture 還提供瞭如下方法：

// 執行任務，CompletableFuture<Void> 無返回值，預設執行緒池
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable) {
      return asyncRunStage(asyncPool, runnable);
}
// 執行任務，CompletableFuture<Void> 無返回值，支援自定義執行緒池
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable,
                                                   Executor executor) {
        return asyncRunStage(screenExecutor(executor), runnable);
}

我們在 CompletableFuture 模式實戰中，提到了 CompletableFuture 實現了 CompletionStage 介面，該介面提供了非常豐富的功能。

CompletionStage 介面支援序列關係、匯聚 AND 關係、匯聚 OR 關係。
下面對這些關係的介面做個簡單描述，大家在使用時可以去自行查閱 JDK API。
同時，這些關係介面中每個方法都提供了對應的 xxxAsync() 方法，表示非同步化執行任務。

序列關係：

CompletionStage 描述序列關係，主要有 thenApply、thenRun、thenAccept 和 thenCompose 系列介面。

原始碼如下所示：

// 對應 U apply(T t) ，接收引數 T並支援返回值 U
public <U> CompletionStage<U> thenApply(Function<? super T,? extends U> fn);
public <U> CompletionStage<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn);

// 不接收引數也不支援返回值
public CompletionStage<Void> thenRun(Runnable action);
public CompletionStage<Void> thenRunAsync(Runnable action);

// 接收引數但不支援返回值
public CompletionStage<Void> thenAccept(Consumer<? super T> action);
public CompletionStage<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action);

// 組合兩個依賴的 CompletableFuture 物件
public <U> CompletionStage<U> thenCompose
        (Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn);
public <U> CompletionStage<U> thenComposeAsync
        (Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn);

匯聚 AND 關係：

CompletionStage 描述 匯聚 AND 關係，主要有 thenCombine、thenAcceptBoth 和 runAfterBoth 系列介面。

原始碼如下所示（省略了Async 方法）：

// 當前和另外的 CompletableFuture 都完成時，兩個引數傳遞給 fn，fn 有返回值
public <U,V> CompletionStage<V> thenCombine
        (CompletionStage<? extends U> other,
         BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn);

// 當前和另外的 CompletableFuture 都完成時，兩個引數傳遞給 action，action 沒有返回值
public <U> CompletionStage<Void> thenAcceptBoth
        (CompletionStage<? extends U> other,
         BiConsumer<? super T, ? super U> action);

// 當前和另外的 CompletableFuture 都完成時，執行 action
public CompletionStage<Void> runAfterBoth(CompletionStage<?> other,
                                              Runnable action);

匯聚 OR 關係：

CompletionStage 描述 匯聚 OR 關係，主要有 applyToEither、acceptEither 和 runAfterEither 系列介面。

原始碼如下所示（省略了Async 方法）：

// 當前與另外的 CompletableFuture 任何一個執行完成，將其傳遞給 fn，支援返回值
public <U> CompletionStage<U> applyToEither
        (CompletionStage<? extends T> other,
         Function<? super T, U> fn);

// 當前與另外的 CompletableFuture 任何一個執行完成，將其傳遞給 action，不支援返回值
public CompletionStage<Void> acceptEither
        (CompletionStage<? extends T> other,
         Consumer<? super T> action);

// 當前與另外的 CompletableFuture 任何一個執行完成，直接執行 action
public CompletionStage<Void> runAfterEither(CompletionStage<?> other,
                                                Runnable action);

到此，CompletableFuture 的相關特性都介紹完了。

非同步程式設計慢慢變得越來越成熟，Java 語言官網也開始支援非同步程式設計模式，所以學好非同步程式設計還是有必要的。

本文結合業務需求場景驅動，引出了 Future 設計模式實戰，然後對 JDK1.8 中的 CompletableFuture 是如何使用的，核心優勢、效能測試對比、使用擴充套件方面做了進一步剖析。

希望對大家有所幫助！

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