java多線程如何通過CompletableFuture組裝異步計(jì)算單元

今天小編給大家分享一下java多線程如何通過CompletableFuture組裝異步計(jì)算單元的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，內(nèi)容詳細(xì)，邏輯清晰，相信大部分人都還太了解這方面的知識(shí)，所以分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后有所收獲，下面我們一起來了解一下吧。

CompletableFuture 介紹

CompletableFuture是1.8引入的新特性，一些比較復(fù)雜的異步計(jì)算場(chǎng)景，尤其是需要串聯(lián)多個(gè)異步計(jì)算單元的場(chǎng)景，可以考慮使用 CompletableFuture 來實(shí)現(xiàn)。

在現(xiàn)實(shí)世界中，我們需要解決的復(fù)雜問題都是要分為若干步驟。就像我們的代碼一樣，一個(gè)復(fù)雜的邏輯方法中，會(huì)調(diào)用多個(gè)方法來一步一步實(shí)現(xiàn)。

設(shè)想如下場(chǎng)景，植樹節(jié)要進(jìn)行植樹，分為下面幾個(gè)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(jìn)行步驟 3，然后才能進(jìn)行步驟 4。

我們有如下幾種實(shí)現(xiàn)方式：

只有一個(gè)人種樹

如果現(xiàn)在只有一個(gè)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(duì)應(yīng)到程序，就是單線程同步執(zhí)行。

三個(gè)人同時(shí)種樹，每個(gè)人負(fù)責(zé)種一棵樹

如何縮短種樹時(shí)長(zhǎng)呢？你肯定想這還不好辦，學(xué)習(xí)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(gè)人一塊種，每個(gè)人種一棵。那么只需要 40 分鐘就可以種完 100 棵樹了。

沒錯(cuò)，如果你的程序有個(gè)方法叫做 plantTree，里面包含了如上四部，那么你起 100 個(gè)線程就可以了。但是，請(qǐng)注意，100 個(gè)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(shí)間消耗。此外CPU的核數(shù)并不能真的支持100個(gè)線程并發(fā)。如果我們要種1萬棵樹呢？總不能起一萬個(gè)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(huì)真的啟動(dòng)100個(gè)線程。

多個(gè)人同時(shí)種樹

種每一棵樹的時(shí)候，不依賴的步驟可以分不同的人并行干

這種方式可以進(jìn)一步縮短種樹的時(shí)長(zhǎng)，因?yàn)榈谝徊酵诳雍偷诙侥脴涿缈梢詢蓚€(gè)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(gè)主線程并發(fā)運(yùn)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(gè)線程中，由于還要并發(fā)兩個(gè)線程去做 1，2 兩個(gè)步驟。實(shí)際運(yùn)行中會(huì)又 100 x 3 = 300 個(gè)線程參與植樹。但是負(fù)責(zé) 1，2 步驟的線程只會(huì)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。

假如只有 4 個(gè)人植樹，每個(gè)人只負(fù)責(zé)自己的步驟

可以看到一開始小王挖完第一個(gè)坑后，小李已經(jīng)取回兩個(gè)樹苗，但此時(shí)小張才能開始種第一個(gè)樹苗。此后小張就可以一個(gè)接一個(gè)的去種樹苗了，并且在他種下一棵樹苗的時(shí)候，小趙可以并行澆水。按照這個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)比不上 100 個(gè)線程并發(fā)種樹的速度。不過不要忘記 100 個(gè)線程并發(fā)只是理想情況，而本方法只用了 4 個(gè)線程。

我們?cè)賹?duì)分工做下調(diào)整。每個(gè)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(huì)更高了。如果基于這種思想，那么我們實(shí)際上把任務(wù)分成了 4 類，每類 100 件，一共 400 件任務(wù)。400 件任務(wù)全部完成，意味著整個(gè)任務(wù)就完成了。那么任務(wù)的參與者只需要知道任務(wù)的依賴，然后不斷領(lǐng)取可以執(zhí)行的任務(wù)去執(zhí)行。這樣的效率將會(huì)是最高的。

前文說到我們不可能通過100個(gè)線程并發(fā)來執(zhí)行任務(wù)，所以一般情況下我們都會(huì)使用線程池，這和上面的設(shè)計(jì)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(xì)，提高了并發(fā)的可能性。因此速度會(huì)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(gè)方法能達(dá)到的最短時(shí)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(duì)線程的使用率會(huì)更高，因?yàn)槊總€(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)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(fù)雜任務(wù)拆解為一個(gè)個(gè)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(cuò)，這就是 CompletableFuture 要達(dá)到的效果，通過對(duì)計(jì)算單元的抽象，讓線程能夠高效的并發(fā)參與每一個(gè)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 使用

CompletableFuture 實(shí)現(xiàn)了 Future 接口并且實(shí)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(jì)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(gè) public 的方法用于異步計(jì)算步驟間的銜接。接下來我們會(huì)挑選一些常用的，相對(duì)使用頻率較高的方法，來看看如何使用。

已知計(jì)算結(jié)果

如果你已經(jīng)知道 CompletableFuture 的計(jì)算結(jié)果，可以使用靜態(tài)方法 completedFuture。傳入計(jì)算結(jié)果，聲明CompletableFuture 對(duì)象。在調(diào)用 get 方法時(shí)會(huì)立即返回傳入的計(jì)算結(jié)果，不會(huì)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(jì)算結(jié)果了，直接使用就好了，為什么還要通過 CompletableFuture 進(jìn)行包裝？這是因?yàn)楫惒接?jì)算單元需要通過 CompletableFuture 進(jìn)行銜接，所以有的時(shí)候我們即使已經(jīng)知道計(jì)算結(jié)果，也需要包裝為 CompletableFuture，才能融入到異步計(jì)算的流程之中。

封裝有返回值的異步計(jì)算邏輯

這是我們最常用的方式。把需要異步計(jì)算的邏輯封裝為一個(gè)計(jì)算單元，交由 CompletableFuture 去運(yùn)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(dá)式的方式向其傳遞了一個(gè) supplier 接口的實(shí)現(xiàn)。

可見 completableFuture.get() 拿到的計(jì)算結(jié)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(jì)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(shí) supplyAsync 是通過 Executor，也就是線程池來運(yùn)行這段函數(shù)的。completableFuture 默認(rèn)使用的是ForkJoinPool，當(dāng)然你也可以通過為 supplyAsync 指定其他 Excutor，通過第二個(gè)參數(shù)傳入 supplyAsync 方法。

supplyAsync 使用場(chǎng)景非常多，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，主程序需要調(diào)用多個(gè)微服務(wù)的接口請(qǐng)求數(shù)據(jù)，那么就可以啟動(dòng)多個(gè) CompletableFuture，調(diào)用 supplyAsync，函數(shù)體中是關(guān)于不同接口的調(diào)用邏輯。這樣不同的接口請(qǐng)求就可以異步同時(shí)運(yùn)行，最后再等全部接口返回時(shí)，執(zhí)行后面的邏輯。

封裝無返回值的異步計(jì)算邏輯

supplyAsync 接收的函數(shù)是有返回值的。有些情況我們只是一段計(jì)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”。

進(jìn)一步處理異步返回的結(jié)果，并返回新的計(jì)算結(jié)果

當(dāng)我們通過 supplyAsync 完成了異步計(jì)算，返回 CompletableFuture，此時(shí)可以繼續(xù)對(duì)返回結(jié)果進(jìn)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?zhǔn)秸{(diào)用 thenApply 方法。s 是前一步 supplyAsync 返回的計(jì)算結(jié)結(jié)果，我們對(duì)結(jié)算結(jié)果進(jìn)行了兩次再加工。我們可以通過 thenApply 不斷對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加工處理。 如果想異步運(yùn)行 thenApply 的邏輯，可以使用 thenApplyAsync。使用方法相同，只不過會(huì)通過線程池異步運(yùn)行。

進(jìn)一步處理異步返回的結(jié)果，無返回

這種場(chǎng)景你可以使用thenApply。這個(gè)方法可以讓你處理上一步的返回結(jié)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(wù)邏輯。處理后返回 CompletableFuture 類型對(duì)象。

既不需要返回值，也不需要上一步計(jì)算結(jié)果，只想在執(zhí)行結(jié)束后再執(zhí)行一段代碼

此時(shí)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(jì)算結(jié)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

組合 Future 處理邏輯

我們可以把兩個(gè) 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(guān)系就像 stream中的 map 和 flatmap。從上面的例子來看，thenApply 和thenCompose 都可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能。但是如果你使用一個(gè)第三方的庫，有一個(gè)API返回的是CompletableFuture 類型，那么你就只能使用 thenCompose方法。

組合Futurue結(jié)果

如果你有兩個(gè)異步操作互相沒有依賴，但是第三步操作依賴前兩部計(jì)算的結(jié)果，那么你可以使用 thenCombine 方法來實(shí)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(shí)進(jìn)行，但是第三步植樹則祖堯前兩步完成后才能進(jìn)行。

可以看到符合我們的預(yù)期。使用場(chǎng)景之前也提到過。我們調(diào)用多個(gè)微服務(wù)的接口時(shí)，可以使用這種方式進(jìn)行組合。處理接口調(diào)用間的依賴關(guān)系。 當(dāng)你需要兩個(gè) Future 的結(jié)果，但是不需要再加工后向下游傳遞計(jì)算結(jié)果時(shí)，可以使用 thenAcceptBoth，用法一樣，只不過接收的函數(shù)沒有返回值。

并行處理多個(gè) Future

假如我們對(duì)微服務(wù)接口的調(diào)用不止兩個(gè)，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(shí)，才能繼續(xù)往下執(zhí)行。此時(shí)我們可以使用 CompletableFuture.allOf 方法。它接收 n 個(gè) CompletableFuture，返回一個(gè) CompletableFuture。對(duì)其調(diào)用 get 方法后，只有所有的 CompletableFuture 全完成時(shí)才會(huì)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(zhǔn)備工作完成！");
}
// 挖坑完成
// 取肥料完成
// 取樹苗完成
// 植樹準(zhǔn)備工作完成！

異常處理

在異步計(jì)算鏈中的異常處理可以采用 handle 方法，它接收兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是計(jì)算及過，第二個(gè)參數(shù)是異步計(jì)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(huì)拋出一個(gè) RuntimeException，拋出這個(gè)異常時(shí) result 為 null，而 throwable 不為null。根據(jù)這些信息你可以在 handle 中進(jìn)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。

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