CompletableFuture:Java 8 中的异步编程利器

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CompletableFuture​ 作为 Java 8 引入的重要异步编程工具,极大地提升了 Java 平台在应对高并发、高性能场景的能力。

在现代软件开发中,异步编程已成为提升系统性能、响应能力和可扩展性的关键手段。Java 8 引入了 CompletableFuture 类,为 Java 平台带来了强大的异步编程能力。

本篇文章将带你认识这个异步编程神器:CompletableFuture。

什么是 CompletableFuture

CompletableFuture 是 Java 8 引入的 java.util.concurrent 包下的一个类,它代表一个异步计算的结果,可以是已完成、正在进行或尚未开始。CompletableFuture 提供了一种灵活、类型安全的方式来表达异步操作的生命周期,包括创建、组合、处理结果以及处理异常。其设计灵感来源于函数式编程中的 Promises/Futures 模式,旨在简化异步编程模型,提高代码的可读性和可维护性。

CompletableFuture 的核心功能

1. 创建 CompletableFuture

a. completedFuture(T value)

completedFuture(T value) 是一个静态工厂方法,用于创建一个已经处于完成状态且包含给定结果值的 CompletableFuture。这适用于预先计算好的结果或常量值,使得其他组件可以以异步形式消费。

b. supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

supplyAsync() 方法接受一个 Supplier 函数和一个可选的 Executor,异步执行 supplier.get(),并将结果封装到一个新的 CompletableFuture 中。计算在 Executor 管理的线程中进行,不阻塞当前线程。

c. runAsync(Runnable runnable, Executor executor)

类似于 supplyAsync(),runAsync() 接受一个 Runnable 任务和一个 Executor,异步执行任务。由于 Runnable 没有返回值,runAsync() 返回的 CompletableFuture 完成时没有结果。

2. 组合 CompletableFuture

a. thenApply(Function<? super T,? extends U> fn)

在当前 CompletableFuture 完成后,应用给定的 Function 处理结果,并返回一个新的 CompletableFuture,其结果为 Function 应用后的值。

b. thenAccept(Consumer<? super T> action)

当当前 CompletableFuture 完成后,执行给定的 Consumer 消费结果。由于 Consumer 没有返回值,返回的 CompletableFuture 完成时没有结果。

c. thenCombine(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn)

当当前 CompletableFuture 与另一个 CompletionStage(如另一个 CompletableFuture)都完成时,应用给定的 BiFunction 合并两个结果,并返回一个新的 CompletableFuture。

3. 异常处理

a. exceptionally(Function<Throwable,? extends T> fn)

当当前 CompletableFuture 因异常而未能正常完成时,应用给定的 Function 处理异常,并返回一个新的 CompletableFuture,其结果为 Function 应用后的值。

b. handle(BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn)

无论当前 CompletableFuture 正常完成还是因异常未能完成,都会应用给定的 BiFunction 处理结果或异常,并返回一个新的 CompletableFuture。

4. 其他重要方法

a. allOf(CompletableFuture<?>... cfs)

创建一个新的 CompletableFuture,当所有给定的 CompletableFuture 都完成(不论成功与否)时,新 CompletableFuture 完成。

b. anyOf(CompletableFuture<?>... cfs)

创建一个新的 CompletableFuture,当任意一个给定的 CompletableFuture 完成时,新 CompletableFuture 完成。

实战应用

CompletableFuture 的使用场景很广泛,例如

  1. 异步数据库查询与结果合并
  2. 微服务间异步通信
  3. 并行任务执行与结果汇总
  4. 异步事件处理与通知

这里以第一个场景举例:场景:在一个订单处理系统中,需要查询订单的详细信息、关联的商品信息以及用户的个人信息。为减少查询延迟,可以使用 CompletableFuture 对每个查询进行异步执行,并在所有查询完成后合并结果。示例:

如果我们不使用Java8提供的这个CompletableFuture 来实现

@Service
@RequiredArgsConstructor
public class OrderProcessingServiceLegacy {
    private final OrderRepository orderRepo;
    private final ProductRepository productRepo;
    private final UserRepository userRepo;

    public OrderDetails fetchOrderDetails(int orderId) throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
        CountDownLatch orderLatch = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch productsLatch = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch userLatch = new CountDownLatch(1);

        Order order = null;
        List<Product> products = null;
        User user = null;

        // 异步查询订单
        executor.execute(() -> {
            try {
                order = orderRepo.findOrderById(orderId);
                orderLatch.countDown();
            } finally {
                productsLatch.countDown();
            }
        });

        // 异步查询商品
        executor.execute(() -> {
            try {
                products = productRepo.findProductsByOrderId(orderId);
            } finally {
                productsLatch.countDown();
            }
        });

        // 异步查询用户(等待订单查询完成后再执行)
        executor.execute(() -> {
            try {
                orderLatch.await(); // 确保订单查询已完成
                user = userRepo.findUserById(order.getCustomerId());
            } finally {
                userLatch.countDown();
            }
        });

        // 等待所有查询完成
        userLatch.await();

        return new OrderDetails(order, products, user);
    }

    // ... 其他方法 ...
 @Data
 @AllArgsConstructor 
    public static class OrderDetails {
        private final Order order;
        private final List<Product> products;
        private final User user;
    }
}

使用CompletableFuture实现

@Service
@RequiredArgsConstructor
public class OrderProcessingService {
    private final OrderRepository orderRepo;
    private final ProductRepository productRepo;
    private final UserRepository userRepo;
 private final ThreadPoolExecutor executor;


    public CompletableFuture<OrderDetails> fetchOrderDetails(int orderId) {

        CompletableFuture<Order> orderFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> orderRepo.findOrderById(orderId), executor);
        CompletableFuture<List<Product>> productsFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> productRepo.findProductsByOrderId(orderId), executor);
        CompletableFuture<User> userFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> userRepo.findUserById(order.getCustomerId()), executor);

        return CompletableFuture.allOf(orderFuture, productsFuture, userFuture)
                .thenApplyAsync(unused -> {
                    Order order = orderFuture.join();
                    List<Product> products = productsFuture.join();
                    User user = userFuture.join();

                    return new OrderDetails(order, products, user);
                }, executor);
    }

    // ... 其他方法 ...
 @Data
    public static class OrderDetails {
        private final Order order;
        private final List<Product> products;
        private final User user;

    }
}

在这个示例中:

  • 使用了CompletableFuture之后,代码量减少了,整洁度和可读性也得到提高。
  • fetchOrderDetails 方法接受一个订单 ID,使用 CompletableFuture.supplyAsync() 异步查询订单、商品和用户信息。
  • 使用 CompletableFuture.allOf() 监控所有查询的完成状态。
  • 当所有查询完成时,使用 thenApplyAsync() 合并结果,创建一个包含完整订单详情的 OrderDetails 对象。

小结

CompletableFuture 作为 Java 8 引入的重要异步编程工具,极大地提升了 Java 平台在应对高并发、高性能场景的能力。结合 Java 8 的并行流(Stream.parallel())与 CompletableFuture,可以轻松实现数据集的并行处理和结果聚合。下次给大家聊聊Stream.parallel()。

责任编辑:武晓燕 来源: Java技术指北
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