CompletableFuture实现异步编排全面分析和总结

　　一、CompletableFuture简介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，并且提供了转换和组合CompletableFuture的方法。
　　CompletableFuture被设计在Java中进行异步编程。异步编程意味着在主线程之外创建一个独立的线程，与主线程分隔开，并在上面运行一个非阻塞的任务，然后通知主线程进展，成功或者失败。
　　CompletableFuture是由Java8引入的，在Java8之前我们一般通过Future实现异步。
　　Future用于表示异步计算的结果，只能通过阻塞或者轮询的方式获取结果，而且不支持设置回调方法，Java8之前若要设置回调一般会使用guava的ListenableFuture。 CompletableFuture对Future进行了扩展，可以通过设置回调的方式处理计算结果，同时也支持组合操作，支持进一步的编排，同时一定程度解决了回调地狱的问题。✔本文的名词缩写：CF：代表CompletableFutureCS：代表CompletionStage二、CompletableFuture 核心接口API介绍2.1 Future使用Future局限性
　　从本质上说，Future表示一个异步计算的结果。它提供了isDone()来检测计算是否已经完成，并且在计算结束后，可以通过get()方法来获取计算结果。在异步计算中，Future确实是个非常优秀的接口。但是，它的本身也确实存在着许多限制：并发执行多任务：Future只提供了get()方法来获取结果，并且是阻塞的。所以，除了等待你别无他法；无法对多个任务进行链式调用：如果你希望在计算任务完成后执行特定动作，比如发邮件，但Future却没有提供这样的能力；无法组合多个任务：如果你运行了10个任务，并期望在它们全部执行结束后执行特定动作，那么在Future中这是无能为力的；没有异常处理：Future接口中没有关于异常处理的方法；
　　方法
　　说明
　　描述
　　boolean
　　cancel (boolean mayInterruptIfRunning)
　　尝试取消执行此任务。
　　V
　　get()
　　如果需要等待计算完成，然后检索其结果。
　　V
　　get(long timeout, TimeUnit unit)
　　如果需要，最多等待计算完成的给定时间，然后检索其结果（如果可用）。
　　boolean
　　isCancelled()
　　如果此任务在正常完成之前取消，则返回 true 。
　　boolean
　　isDone()
　　如果此任务完成，则返回 true 。2.2 CompletableFuturepublic class CompletableFuture implements Future, CompletionStage {  }
　　JDK1.8 才新加入的一个实现类CompletableFuture，而CompletableFuture实现了两个接口（如上面代码所示）：Future、CompletionStage，意味着可以像以前一样通过阻塞或者轮询的方式获得结果。
　　Future表示异步计算的结果，CompletionStage用于表示异步执行过程中的一个步骤Stage，这个步骤可能是由另外一个CompletionStage触发的，随着当前步骤的完成，也可能会触发其他一系列CompletionStage的执行。从而我们可以根据实际业务对这些步骤进行多样化的编排组合，CompletionStage接口正是定义了这样的能力，我们可以通过其提供的thenAppy、thenCompose等函数式编程方法来组合编排这些步骤。CompletableFuture是Future接口的扩展和增强。CompletableFuture实现了Future接口，并在此基础上进行了丰富地扩展，完美地弥补了Future上述的种种问题。更为重要的是，CompletableFuture实现了对任务的编排能力。借助这项能力，我们可以轻松地组织不同任务的运行顺序、规则以及方式。从某种程度上说，这项能力是它的核心能力。而在以往，虽然通过CountDownLatch等工具类也可以实现任务的编排，但需要复杂的逻辑处理，不仅耗费精力且难以维护。2.3 CompletionStage
　　CompletionStage接口提供了更多方法来更好的实现异步编排，并且大量的使用了JDK8引入的函数式编程概念。由stage执行的计算可以表示为Function，Consumer或Runnable（使用名称分别包括apply 、accept或run的方法 ），具体取决于它是否需要参数和/或产生结果。 例如：stage.thenApply(x -> square(x)).thenAccept(x -> System.out.print(x)).thenRun(() -> System.out.println());  三、使用CompletableFuture场景3.1 应用场景
　　1️⃣ 执行比较耗时的操作时，尤其是那些依赖一个或多个远程服务的操作，使用异步任务可以改善程序的性能，加快程序的响应速度；
　　2️⃣ 使用CompletableFuture类，它提供了异常管理的机制，让你有机会抛出、管理异步任务执行种发生的异常；
　　3️⃣ 如果这些异步任务之间相互独立，或者他们之间的的某一些的结果是另一些的输入，你可以讲这些异步任务构造或合并成一个。
　　举个常见的案例，在APP查询首页信息的时候，一般会涉及到不同的RPC远程调用来获取很多用户相关信息数据，比如：商品banner轮播图信息、用户message消息信息、用户权益信息、用户优惠券信息 等，假设每个rpc invoke()耗时是250ms，那么基于同步的方式获取到话，算下来接口的RT至少大于1s，这响应时长对于首页来说是万万不能接受的，因此，我们这种场景就可以通过多线程异步的方式去优化。
　　3.2 CompletableFuture依赖链分析
　　根据CompletableFuture依赖数量，可以分为以下几类：零依赖、单依赖、双重依赖和多重依赖 。
　　零依赖
　　下图Future1、Future2都是零依赖的体现：
　　单依赖：仅依赖于一个CompletableFuture
　　下图Future3、Future5都是单依赖的体现，分别依赖于Future1和Future2：
　　双重依赖：同时依赖于两个CompletableFuture
　　下图Future4即为双重依赖的体现，同时依赖于Future1和Future2：
　　多重依赖：同时依赖于多个CompletableFuture
　　下图Future6即为多重依赖的体现，同时依赖于Future3、Future4和Future5：
　　类似这种多重依赖的流程来说，结果依赖于三个步骤：Future3、Future4、Future5，这种多元依赖可以通过allOf()或anyOf()方法来实现，区别是当需要多个依赖全部完成时使用allOf()，当多个依赖中的任意一个完成即可时使用anyOf()，如下代码所示：CompletableFuture Future6 = CompletableFuture.allOf(Future3, Future4, Future5); CompletableFuture result = Future6.thenApply(v -> {     //这里的join并不会阻塞，因为传给thenApply的函数是在Future3、Future4、Future5全部完成时，才会执行 。     result3 = Future3.join();     result4 = Future4.join();     result5 = Future5.join();          // 返回result3、result4、result5组装后结果     return assamble(result3, result4, result5); }); 四、CompletableFuture异步编排
　　在分析CompletableFuture异步编排之前，我跟大家理清一下CompletionStage接口下 （thenRun、thenApply、thenAccept、thenCombine、thenCompose）、（handle、whenComplete、exceptionally） 相关方法的实际用法和它们之间的区别是什么? 带着你的想法往下看吧!!!4.1 《异步编排API》thenRun：【执行】直接开启一个异步线程执行任务，不接收任何参数，回调方法没有返回值；thenApply：【提供】可以提供返回值，接收上一个任务的执行结果，作为下一个Future的入参，回调方法是有返回值的；thenAccept：【接收】可以接收上一个任务的执行结果，作为下一个Future的入参，回调方法是没有返回值的；thenCombine：【结合】可以结合不同的Future的返回值，做为下一个Future的入参，回调方法是有返回值的；thenCompose：【组成】将上一个Future实例结果传递给下一个实例中。✔异步回调建议使用自定义线程池/**  * 线程池配置  *  * @author: austin  * @since: 2023/3/12 1:32  */ @Configuration public class ThreadPoolConfig {      /**      * @Bean中声明的value不能跟定义的实例同名      *      */     @Bean(value = ＂customAsyncTaskExecutor＂)     public ThreadPoolTaskExecutor asyncThreadPoolExecutor() {         ThreadPoolTaskExecutor threadPoolTaskExecutor = new ThreadPoolTaskExecutor();         threadPoolTaskExecutor.setCorePoolSize(5);         threadPoolTaskExecutor.setMaxPoolSize(10);         threadPoolTaskExecutor.setKeepAliveSeconds(60);         threadPoolTaskExecutor.setQueueCapacity(2048);         threadPoolTaskExecutor.setWaitForTasksToCompleteOnShutdown(true);         threadPoolTaskExecutor.setThreadNamePrefix(＂customAsyncTaskExecutor-＂);         threadPoolTaskExecutor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());         return threadPoolTaskExecutor;     }      @Bean(value = ＂threadPoolExecutor＂)     public ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor() {         ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 60L, TimeUnit.SECONDS,                 new ArrayBlockingQueue<>(10000), new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());         return threadPoolExecutor;     } }
　　如果所有异步回调都会共用该CommonPool，核心与非核心业务都竞争同一个池中的线程，很容易成为系统瓶颈。手动传递线程池参数可以更方便的调节参数，并且可以给不同的业务分配不同的线程池，以求资源隔离，减少不同业务之间的相互干扰。所以，强烈建议你要根据不同的业务类型创建不同的线程池，以避免互相干扰。通过自定义线程池customAsyncTaskExecutor，后面不同的异步编排方法，我们可以通过指定对应的线程池。1️⃣ runAsync()、thenRun()@RestController public class CompletableFutureCompose {      @Resource     private ThreadPoolTaskExecutor customAsyncTaskExecutor;      @RequestMapping(value = ＂/thenRun＂)     public void thenRun() {         CompletableFuture.runAsync(() -> {             System.out.println(＂thread name:＂ + Thread.currentThread().getName() + ＂ first step...＂);         }, customAsyncTaskExecutor).thenRun(() -> {             System.out.println(＂thread name:＂ + Thread.currentThread().getName() + ＂ second step...＂);         }).thenRunAsync(() -> {             System.out.println(＂thread name:＂ + Thread.currentThread().getName() + ＂ third step...＂);         });     } }
　　接口输出结果：thread name:customAsyncTaskExecutor-1 first step... thread name:customAsyncTaskExecutor-1 second step... thread name:ForkJoinPool.commonPool-worker-3 third step... 2️⃣ thenApply()@RequestMapping(value = ＂/thenApply＂) public void thenApply() {     CompletableFuture.supplyAsync(() -> {         System.out.println(＂thread name:＂ + Thread.currentThread().getName() + ＂ first step...＂);         return ＂hello＂;     }, customAsyncTaskExecutor).thenApply((result1) -> {         String targetResult = result1 + ＂ austin＂;         System.out.println(＂first step result: ＂ + result1);         System.out.println(＂thread name:＂ + Thread.currentThread().getName() + ＂ second step..., targetResult: ＂ + targetResult);         return targetResult;     }); }
　　接口输出结果：thread name:customAsyncTaskExecutor-2 first step... first step result: hello // thenApply虽然没有指定线程池，但是默认是复用它上一个任务的线程池的 thread name:customAsyncTaskExecutor-2 second step..., targetResult: hello austin 3️⃣ thenAccept()@RequestMapping(value = ＂/thenAccept＂) public void thenAccept() {     CompletableFuture.supplyAsync(() -> {         System.out.println(＂thread name:＂ + Thread.currentThread().getName() + ＂ first step...＂);         return ＂hello＂;     }, customAsyncTaskExecutor).thenAccept((result1) -> {         String targetResult = result1 + ＂ austin＂;         System.out.println(＂first step result: ＂ + result1);         System.out.println(＂thread name:＂ + Thread.currentThread().getName() + ＂ second step..., targetResult: ＂ + targetResult);     }); }
　　接口输出结果：thread name:customAsyncTaskExecutor-3 first step... first step result: hello // thenAccept在没有指定线程池的情况下，并未复用它上一个任务的线程池 thread name:http-nio-10032-exec-9 second step..., targetResult: hello austin
　　thenAccept()和thenApply()的用法实际上基本上一致，区别在于thenAccept()回调方法是没有返回值的，而thenApply()回调的带返回值的。
　　细心的朋友可能会发现，上面thenApply()和thenAccept()请求线程池在不指定的情况下，两者的不同表现，thenApply()在不指定线程池的情况下，会沿用上一个Future指定的线程池customAsyncTaskExecutor，而thenAccept()在不指定线程池的情况，并没有复用上一个Future设置的线程池，而是重新创建了新的线程来实现异步调用。4️⃣ thenCombine()@RequestMapping(value = ＂/thenCombine＂) public void thenCombine() {     CompletableFuture future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {         System.out.println(＂执行future1开始...＂);         return ＂Hello＂;     }, asyncThreadPoolExecutor);     CompletableFuture future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {         System.out.println(＂执行future2开始...＂);         return ＂World＂;     }, asyncThreadPoolExecutor);     future1.thenCombine(future2, (result1, result2) -> {         String result = result1 + ＂ ＂ + result2;         System.out.println(＂获取到future1、future2聚合结果：＂ + result);         return result;     }).thenAccept(result -> System.out.println(result)); }
　　接口访问，打印结果：thread name:customAsyncTaskExecutor-4 执行future1开始... thread name:customAsyncTaskExecutor-5 执行future2开始... thread name:http-nio-10032-exec-8 获取到future1、future2聚合结果：Hello World Hello World 复制代码5️⃣ thenCompose()
　　我们先有future1，然后和future2组成一个链：future1 -> future2，然后又组合了future3，形成链：future1 -> future2 -> future3。这里有个隐藏的点：future1、future2、future3它们完全没有数据依赖关系，我们只不过是聚合了它们的结果。@RequestMapping(value = ＂/thenCompose＂) public void thenCompose() {     CompletableFuture.supplyAsync(() -> {         // 第一个Future实例结果         System.out.println(＂thread name:＂ + Thread.currentThread().getName() + ＂ 执行future1开始...＂);         return ＂Hello＂;     }, customAsyncTaskExecutor).thenCompose(result1 -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> {         // 将上一个Future实例结果传到这里         System.out.println(＂thread name:＂ + Thread.currentThread().getName() + ＂ 执行future2开始..., 第一个实例结果：＂ + result1);         return result1 + ＂ World＂;     })).thenCompose(result12 -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> {         // 将第一个和第二个实例结果传到这里         System.out.println(＂thread name:＂ + Thread.currentThread().getName() + ＂ 执行future3开始..., 第一第二个实现聚合结果：＂ + result12);         String targetResult = result12 + ＂, I am austin!＂;         System.out.println(＂最终输出结果：＂ + targetResult);         return targetResult;     })); }
　　接口访问，打印结果：thread name:customAsyncTaskExecutor-1 执行future1开始... thread name:ForkJoinPool.commonPool-worker-3 执行future2开始..., 第一个实例结果：Hello thread name:ForkJoinPool.commonPool-worker-3 执行future3开始..., 第一第二个实现聚合结果：Hello World 最终输出结果：Hello World, I am austin! Note：thenCombine() VS thenCompose()，两者之间的区别
　　thenCombine结合的两个CompletableFuture没有依赖关系，且第二个CompletableFuture不需要等第一个CompletableFuture执行完成才开始。 thenCompose() 可以两个 CompletableFuture 对象，并将前一个任务的返回结果作为下一个任务的参数，它们之间存在着先后顺序。 thenCombine() 会在两个任务都执行完成后，把两个任务的结果合并。两个任务是并行执行的，它们之间并没有先后依赖顺序。4.2 《CompletableFuture实例化创建》// 返回一个新的CompletableFuture，由线程池ForkJoinPool.commonPool()中运行的任务异步完成，不会返回结果。 public static CompletableFuture runAsync(Runnable runnable); // 返回一个新的CompletableFuture，运行任务时可以指定自定义线程池来实现异步，不会返回结果。 public static CompletableFuture runAsync(Runnable runnable, Executor executor);  // 返回由线程池ForkJoinPool.commonPool()中运行的任务异步完成的新CompletableFuture，可以返回异步线程执行之后的结果。 public static  CompletableFuture supplyAsync(Supplier supplier); public static  CompletableFuture supplyAsync(Supplier supplier, Executor executor);
　　CompletableFuture有两种方式实现异步，一种是supply开头的方法，一种是run开头的方法：supply 开头：该方法可以返回异步线程执行之后的结果；run 开头：该方法不会返回结果，就只是执行线程任务。4.3 《获取CompletableFuture结果》public  T   get() public  T   get(long timeout, TimeUnit unit) public  T   getNow(T valueIfAbsent) public  T   join() public CompletableFuture