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這篇“java多線程怎么通過CompletableFuture組裝異步計算單元”文章的知識點大部分人都不太理解,所以小編給大家總結了以下內(nèi)容,內(nèi)容詳細,步驟清晰,具有一定的借鑒價值,希望大家閱讀完這篇文章能有所收獲,下面我們一起來看看這篇“java多線程怎么通過CompletableFuture組裝異步計算單元”文章吧。
CompletableFuture是1.8引入的新特性,一些比較復雜的異步計算場景,尤其是需要串聯(lián)多個異步計算單元的場景,可以考慮使用 CompletableFuture 來實現(xiàn)。
在現(xiàn)實世界中,我們需要解決的復雜問題都是要分為若干步驟。就像我們的代碼一樣,一個復雜的邏輯方法中,會調(diào)用多個方法來一步一步實現(xiàn)。
設想如下場景,植樹節(jié)要進行植樹,分為下面幾個步驟:
挖坑 10 分鐘
拿樹苗 5 分鐘
種樹苗 20 分鐘
澆水 5 分鐘
其中 1 和 2 可以并行,1 和 2 都完成了才能進行步驟 3,然后才能進行步驟 4。
我們有如下幾種實現(xiàn)方式:
如果現(xiàn)在只有一個人植樹,要種 100 棵樹,那么只能按照如下順序執(zhí)行:
圖中僅列舉種三棵樹示意??梢钥吹酱袌?zhí)行,只能種完一棵樹再種一棵,那么種完 100 棵樹需要 40 * 100 = 4000 分鐘
。 這種方式對應到程序,就是單線程同步執(zhí)行。
如何縮短種樹時長呢?你肯定想這還不好辦,學習了這么久的并發(fā),這肯定難不倒我。不是要種 100 棵樹嗎?那我找 100 個人一塊種,每個人種一棵。那么只需要 40 分鐘就可以種完 100 棵樹了。
沒錯,如果你的程序有個方法叫做 plantTree,里面包含了如上四部,那么你起 100 個線程就可以了。但是,請注意,100 個線程的創(chuàng)建和銷毀需要消耗大量的系統(tǒng)資源。并且創(chuàng)建和銷毀線程都有時間消耗。此外CPU的核數(shù)并不能真的支持100個線程并發(fā)。如果我們要種1萬棵樹呢?總不能起一萬個線程吧?
所以這只是理想情況,我們一般是通過線程池來執(zhí)行,并不會真的啟動100個線程。
種每一棵樹的時候,不依賴的步驟可以分不同的人并行干
這種方式可以進一步縮短種樹的時長,因為第一步挖坑和第二步拿樹苗可以兩個人并行去做,所以每棵樹只需要35 分鐘。如下圖:
如果程序還是 100 個主線程并發(fā)運行 plantTree 方法,那么只需要 35 分鐘種完 100 顆樹。 這里需要注意每個線程中,由于還要并發(fā)兩個線程去做 1,2 兩個步驟。實際運行中會又 100 x 3 = 300 個線程參與植樹。但是負責 1,2 步驟的線程只會短暫參與,然后就閑置了。
這種方法和第二種方式也存在大量創(chuàng)建線程的問題。所以也只是理想情況。
可以看到一開始小王挖完第一個坑后,小李已經(jīng)取回兩個樹苗,但此時小張才能開始種第一個樹苗。此后小張就可以一個接一個的去種樹苗了,并且在他種下一棵樹苗的時候,小趙可以并行澆水。按照這個流程走下來,種完 100 顆樹苗需要 10+20x100+5=2015 分鐘。比單線程的4000分鐘好了很多,但是遠遠比不上 100 個線程并發(fā)種樹的速度。不過不要忘記 100 個線程并發(fā)只是理想情況,而本方法只用了 4 個線程。
我們再對分工做下調(diào)整。每個人不只干自己的工作,一旦自己的工作做完了就看有沒有其他工作可以做。比如小王挖坑完后,發(fā)現(xiàn)可以種樹苗,那么他就去種樹苗。小李拿樹苗完成后也可以去挖坑或者種樹苗。這樣整體的效率就會更高了。如果基于這種思想,那么我們實際上把任務分成了 4 類,每類 100 件,一共 400 件任務。400 件任務全部完成,意味著整個任務就完成了。那么任務的參與者只需要知道任務的依賴,然后不斷領取可以執(zhí)行的任務去執(zhí)行。這樣的效率將會是最高的。
前文說到我們不可能通過100個線程并發(fā)來執(zhí)行任務,所以一般情況下我們都會使用線程池,這和上面的設計思想不謀而合。使用線程池后,由于第四種方式把步驟拆的更細,提高了并發(fā)的可能性。因此速度會比第二種方式更快。那么和第三種比起來,哪種更快呢?如果線程數(shù)量可以無窮大,這兩個方法能達到的最短時間是一樣的,都是 35 分鐘。不過在線程有限的情況下,第四種方式對線程的使用率會更高,因為每個步驟都可以并行執(zhí)行(參與種樹的人完成自己的工作后,都可以去幫助其他人),線程的調(diào)度更為靈活,所以線程池中的線程很難閑下來,一直保持在運轉之中。是的,誰都不能偷懶。而第三種由于只能并發(fā)在 plantTree 方法及挖坑和拿樹苗,所以不如第四種方式靈活
上文講了這么多,主要是要說明 CompletableFuture 出現(xiàn)的原因。他用來把復雜任務拆解為一個個銜接的異步執(zhí)行步驟,從而提升整體的效率。我們回一下小節(jié)題目:誰都不能偷懶。沒錯,這就是 CompletableFuture 要達到的效果,通過對計算單元的抽象,讓線程能夠高效的并發(fā)參與每一個步驟。同步的代碼通過 CompletableFuture 可以完全改造為異步代碼。下面我們就來看看如何使用 CompletableFuture。
CompletableFuture 實現(xiàn)了 Future 接口并且實現(xiàn)了 CompletionStage 接口。Future 接口我們已經(jīng)很熟悉了,而CompletionStage 接口定了異步計算步驟之間的規(guī)范,這樣確保一步一步能夠銜接上。CompletionStage 定義了38 個 public 的方法用于異步計算步驟間的銜接。接下來我們會挑選一些常用的,相對使用頻率較高的方法,來看看如何使用。
如果你已經(jīng)知道 CompletableFuture 的計算結果,可以使用靜態(tài)方法 completedFuture。傳入計算結果,聲明CompletableFuture 對象。在調(diào)用 get 方法時會立即返回傳入的計算結果,不會被阻塞,如下代碼:
public static void main(String[] args) throws Exception{ CompletableFuture<String> completableFuture = CompletableFuture.completedFuture("Hello World"); System.out.println("result is " + completableFuture.get()); } // result is Hello World
是不是覺得這種用法沒有什么意義?既然知道計算結果了,直接使用就好了,為什么還要通過 CompletableFuture 進行包裝?這是因為異步計算單元需要通過 CompletableFuture 進行銜接,所以有的時候我們即使已經(jīng)知道計算結果,也需要包裝為 CompletableFuture,才能融入到異步計算的流程之中。
這是我們最常用的方式。把需要異步計算的邏輯封裝為一個計算單元,交由 CompletableFuture 去運行。如下面的代碼:
public static void main(String[] args) throws Exception { CompletableFuture<String> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "挖坑完成"); System.out.println("result is " + completableFuture.get()); } // result is 挖坑完成
這里我們使用了 CompletableFuture 的 supplyAsync 方法,以 lambda 表達式的方式向其傳遞了一個 supplier 接口的實現(xiàn)。
可見 completableFuture.get()
拿到的計算結果就是你傳入函數(shù)執(zhí)行后 return 的值。那么如果你有需要異步計算的邏輯,那么就可以放到 supplyAsync 傳入的函數(shù)體中。這段函數(shù)是如何被異步執(zhí)行的呢?如果你跟入代碼可以看到其實 supplyAsync 是通過 Executor,也就是線程池來運行這段函數(shù)的。completableFuture 默認使用的是ForkJoinPool,當然你也可以通過為 supplyAsync 指定其他 Excutor,通過第二個參數(shù)傳入 supplyAsync 方法。
supplyAsync 使用場景非常多,舉個簡單的例子,主程序需要調(diào)用多個微服務的接口請求數(shù)據(jù),那么就可以啟動多個 CompletableFuture,調(diào)用 supplyAsync,函數(shù)體中是關于不同接口的調(diào)用邏輯。這樣不同的接口請求就可以異步同時運行,最后再等全部接口返回時,執(zhí)行后面的邏輯。
supplyAsync 接收的函數(shù)是有返回值的。有些情況我們只是一段計算過程,并不需要返回值。這就像 Runnable 的run 方法,并沒有返回值。這種情況我們可以使用 runAsync方法,如下面的代碼:
public static void main(String[] args) throws Exception { CompletableFuture<Void> completableFuture = CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println("挖坑完成")); completableFuture.get(); } // 挖坑完成
runAsync 接收 runnable 接口的函數(shù)。所以并無返回值。栗子中的邏輯只是打印“挖坑完成”。
當我們通過 supplyAsync 完成了異步計算,返回 CompletableFuture,此時可以繼續(xù)對返回結果進行加工,如下面的代碼:
public static void main(String[] args) throws Exception { CompletableFuture<String> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "挖坑完成") .thenApply(s -> s + ", 并且歸還鐵鍬") .thenApply(s -> s + ", 全部完成。"); System.out.println("result is " + completableFuture.get()); } // result is 挖坑完成, 并且歸還鐵鍬, 全部完成。
在調(diào)用 supplyAsync 后,我們兩次鏈式調(diào)用 thenApply 方法。s 是前一步 supplyAsync 返回的計算結結果,我們對結算結果進行了兩次再加工。我們可以通過 thenApply 不斷對計算結果進行加工處理。 如果想異步運行 thenApply 的邏輯,可以使用 thenApplyAsync。使用方法相同,只不過會通過線程池異步運行。
這種場景你可以使用thenApply。這個方法可以讓你處理上一步的返回結果,但無返回值。參照如下代碼:
public static void main(String[] args) throws Exception { CompletableFuture<Void> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "挖坑完成") .thenAccept(s -> System.out.println(s + ", 并且歸還鐵鍬")); completableFuture.get(); }
這里可以看到 thenAccept 接收的函數(shù)沒有返回值,只有業(yè)務邏輯。處理后返回 CompletableFuture 類型對象。
此時你可以使用 thenRun 方法,他接收 Runnable 的函數(shù),沒有輸入也沒有輸出,僅僅是在異步計算結束后回調(diào)一段邏輯,比如記錄 log 等。參照下面代碼:
public static void main(String[] args) throws Exception { CompletableFuture<Void> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "挖坑完成") .thenAccept(s -> System.out.println(s + ", 并且歸還鐵鍬")) .thenRun(() -> System.out.println("挖坑工作已經(jīng)全部完成")); completableFuture.get(); } // 挖坑完成, 并且歸還鐵鍬 // 挖坑工作已經(jīng)全部完成
可以看到在 thenAccept 之后繼續(xù)調(diào)用了 thenRun,僅僅是打印了日志而已
我們可以把兩個 CompletableFuture 組合起來使用,如下面的代碼:
public static void main(String[] args) throws Exception { CompletableFuture<String> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "挖坑完成") .thenCompose(s -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> s + ", 并且歸還鐵鍬")); System.out.println("result is " + completableFuture.get()); } // result is 挖坑完成, 并且歸還鐵鍬
thenApply 和 thenCompose 的關系就像 stream中的 map 和 flatmap。從上面的例子來看,thenApply 和thenCompose 都可以實現(xiàn)同樣的功能。但是如果你使用一個第三方的庫,有一個API返回的是CompletableFuture 類型,那么你就只能使用 thenCompose方法。
如果你有兩個異步操作互相沒有依賴,但是第三步操作依賴前兩部計算的結果,那么你可以使用 thenCombine 方法來實現(xiàn),如下面代碼:
public static void main(String[] args) throws Exception { CompletableFuture<String> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "挖坑完成") .thenCombine(CompletableFuture.supplyAsync(() -> ", 拿樹苗完成"), (x, y) -> x + y + "植樹完成"); System.out.println("result is " + completableFuture.get()); } // result is 挖坑完成, 拿樹苗完成植樹完成
挖坑和拿樹苗可以同時進行,但是第三步植樹則祖堯前兩步完成后才能進行。
可以看到符合我們的預期。使用場景之前也提到過。我們調(diào)用多個微服務的接口時,可以使用這種方式進行組合。處理接口調(diào)用間的依賴關系。 當你需要兩個 Future 的結果,但是不需要再加工后向下游傳遞計算結果時,可以使用 thenAcceptBoth,用法一樣,只不過接收的函數(shù)沒有返回值。
假如我們對微服務接口的調(diào)用不止兩個,并且還有一些其它可以異步執(zhí)行的邏輯。主流程需要等待這些所有的異步操作都返回時,才能繼續(xù)往下執(zhí)行。此時我們可以使用 CompletableFuture.allOf 方法。它接收 n 個 CompletableFuture,返回一個 CompletableFuture。對其調(diào)用 get 方法后,只有所有的 CompletableFuture 全完成時才會繼續(xù)后面的邏輯。我們看下面示例代碼:
public static void main(String[] args) throws Exception { CompletableFuture<Void> future1 = CompletableFuture.runAsync(() -> { try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("挖坑完成"); }); CompletableFuture<Void> future2 = CompletableFuture.runAsync(() -> { try { TimeUnit.SECONDS.sleep(5); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("取樹苗完成"); }); CompletableFuture<Void> future3 = CompletableFuture.runAsync(() -> { try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("取肥料完成"); }); CompletableFuture.allOf(future1, future2, future3).get(); System.out.println("植樹準備工作完成!"); } // 挖坑完成 // 取肥料完成 // 取樹苗完成 // 植樹準備工作完成!
在異步計算鏈中的異常處理可以采用 handle 方法,它接收兩個參數(shù),第一個參數(shù)是計算及過,第二個參數(shù)是異步計算鏈中拋出的異常。使用方法如下:
public static void main(String[] args) throws Exception { CompletableFuture<String> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { if (1 == 1) { throw new RuntimeException("Computation error"); } return "挖坑完成"; }).handle((result, throwable) -> { if (result == null) { return "挖坑異常"; } return result; }); System.out.println("result is " + completableFuture.get()); } // result is 挖坑異常
代碼中會拋出一個 RuntimeException,拋出這個異常時 result 為 null,而 throwable 不為null。根據(jù)這些信息你可以在 handle 中進行處理,如果拋出的異常種類很多,你可以判斷 throwable 的類型,來選擇不同的處理邏輯。
以上就是關于“java多線程怎么通過CompletableFuture組裝異步計算單元”這篇文章的內(nèi)容,相信大家都有了一定的了解,希望小編分享的內(nèi)容對大家有幫助,若想了解更多相關的知識內(nèi)容,請關注億速云行業(yè)資訊頻道。
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