Java CompletableFuture 详解

Future 是Java 5添加的类,用来描述一个异步计算的结果。你可以使用 isDone 方法检查计算是否完成,或者使用 get 阻塞住调用线程,直到计算完成返回结果,你也可以使用 cancel 方法停止任务的执行。

publicclassBasicFuture{ publicstaticvoidmain(String[] args)throwsExecutionException, InterruptedException {  ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10);  Future<Integer> f = es.submit(() ->{ // 长时间的异步计算 // …… // 然后返回结果 return100;  }); // while(!f.isDone()) // ;  f.get();  } } 

虽然 Future 以及相关使用方法提供了异步执行任务的能力,但是对于结果的获取却是很不方便,只能通过阻塞或者轮询的方式得到任务的结果。阻塞的方式显然和我们的异步编程的初衷相违背,轮询的方式又会耗费无谓的CPU资源,而且也不能及时地得到计算结果,为什么不能用观察者设计模式当计算结果完成及时通知监听者呢?

很多语言,比如Node.js,采用回调的方式实现异步编程。Java的一些框架,比如Netty,自己扩展了Java的 Future 接口,提供了 addListener 等多个扩展方法:

ChannelFuture future = bootstrap.connect(newInetSocketAddress(host, port));  future.addListener(newChannelFutureListener()  { @Override publicvoidoperationComplete(ChannelFuture future)throwsException  { if(future.isSuccess()) { // SUCCESS  } else{ // FAILURE  }  }  }); 

Google guava也提供了通用的扩展Future: ListenableFuture 、 SettableFuture 以及辅助类 Futures 等,方便异步编程。

finalString name = ...; inFlight.add(name); ListenableFuture<Result> future = service.query(name); future.addListener(newRunnable() { publicvoidrun() {  processedCount.incrementAndGet();  inFlight.remove(name);  lastProcessed.set(name);  logger.info("Done with {0}", name);  } }, executor); 

Scala也提供了简单易用且功能强大的Future/Promise 异步编程模式 。

作为正统的Java类库,是不是应该做点什么,加强一下自身库的功能呢?

在Java 8中, 新增加了一个包含50个方法左右的类: CompletableFuture ,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。

下面我们就看一看它的功能吧。

主动完成计算

CompletableFuture类实现了 CompletionStage 和 Future 接口,所以你还是可以像以前一样通过阻塞或者轮询的方式获得结果,尽管这种方式不推荐使用。

publicTget() publicTget(longtimeout, TimeUnit unit) publicTgetNow(T valueIfAbsent) publicTjoin() 

getNow 有点特殊,如果结果已经计算完则返回结果或者抛出异常,否则返回给定的 valueIfAbsent 值。

join 返回计算的结果或者抛出一个unchecked异常(CompletionException),它和 get 对抛出的异常的处理有些细微的区别,你可以运行下面的代码进行比较:

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { inti =1/0; return100; }); //future.join(); future.get(); 

尽管Future可以代表在另外的线程中执行的一段异步代码,但是你还是可以在本身线程中执行:

publicstaticCompletableFuture<Integer>compute() { finalCompletableFuture<Integer> future =newCompletableFuture<>();  returnfuture; } 

上面的代码中 future 没有关联任何的 Callback 、线程池、异步任务等,如果客户端调用 future.get 就会一致傻等下去。你可以通过下面的代码完成一个计算,触发客户端的等待:

f.complete(100); 

当然你也可以抛出一个异常,而不是一个成功的计算结果:

f.completeExceptionally(newException()); 

完整的代码如下:

publicclassBasicMain{ publicstaticCompletableFuture<Integer>compute() { finalCompletableFuture<Integer> future =newCompletableFuture<>(); returnfuture;  } publicstaticvoidmain(String[] args)throwsException { finalCompletableFuture<Integer> f = compute();  class Client extends Thread {  CompletableFuture<Integer> f;  Client(String threadName, CompletableFuture<Integer> f) { super(threadName); this.f = f;  } @Override publicvoidrun() { try{  System.out.println(this.getName() +": "+ f.get());  } catch(InterruptedException e) {  e.printStackTrace();  } catch(ExecutionException e) {  e.printStackTrace();  }  }  } newClient("Client1", f).start(); newClient("Client2", f).start();  System.out.println("waiting");  f.complete(100); //f.completeExceptionally(new Exception());  System.in.read();  } } 

可以看到我们并没有把 f.complete(100); 放在另外的线程中去执行,但是在大部分情况下我们可能会用一个线程池去执行这些异步任务。 CompletableFuture.complete()CompletableFuture.completeExceptionally 只能被调用一次。但是我们有两个后门方法可以重设这个值: obtrudeValueobtrudeException ,但是使用的时候要小心,因为 complete 已经触发了客户端,有可能导致客户端会得到不期望的结果。

创建CompletableFuture对象。

CompletableFuture.completedFuture 是一个静态辅助方法,用来返回一个已经计算好的 CompletableFuture

publicstatic<U> CompletableFuture<U>completedFuture(U value) 

而以下四个静态方法用来为一段异步执行的代码创建 CompletableFuture 对象:

publicstaticCompletableFuture<Void>runAsync(Runnable runnable) publicstaticCompletableFuture<Void>runAsync(Runnable runnable, Executor executor) publicstatic<U> CompletableFuture<U>supplyAsync(Supplier<U> supplier) publicstatic<U> CompletableFuture<U>supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor) 

Async 结尾并且没有指定 Executor 的方法会使用 ForkJoinPool.commonPool() 作为它的线程池执行异步代码。

runAsync 方法也好理解,它以 Runnable 函数式接口类型为参数,所以 CompletableFuture 的计算结果为空。

supplyAsync 方法以 Supplier<U> 函数式接口类型为参数, CompletableFuture 的计算结果类型为 U

因为方法的参数类型都是函数式接口,所以可以使用lambda表达式实现异步任务,比如:

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { //长时间的计算任务 return"·00"; }); 

计算结果完成时的处理

CompletableFuture 的计算结果完成,或者抛出异常的时候,我们可以执行特定的 Action 。主要是下面的方法:

publicCompletableFuture<T>whenComplete(BiConsumer<?superT,?superThrowable> action) publicCompletableFuture<T>whenCompleteAsync(BiConsumer<?superT,?superThrowable> action) publicCompletableFuture<T>whenCompleteAsync(BiConsumer<?superT,?superThrowable> action, Executor executor) publicCompletableFuture<T>exceptionally(Function<Throwable,? extends T> fn) 

可以看到 Action 的类型是 BiConsumer<? super T,? super Throwable> ,它可以处理正常的计算结果,或者异常情况。

方法不以 Async 结尾,意味着 Action 使用相同的线程执行,而 Async 可能会使用其它的线程去执行(如果使用相同的线程池,也可能会被同一个线程选中执行)。

注意这几个方法都会返回 CompletableFuture ,当 Action 执行完毕后它的结果返回原始的 CompletableFuture 的计算结果或者返回异常。

publicclassMain{ privatestaticRandom rand =newRandom(); privatestaticlongt = System.currentTimeMillis(); staticintgetMoreData() {  System.out.println("begin to start compute"); try{  Thread.sleep(10000);  } catch(InterruptedException e) { thrownewRuntimeException(e);  }  System.out.println("end to start compute. passed "+ (System.currentTimeMillis() - t)/1000+" seconds"); returnrand.nextInt(1000);  } publicstaticvoidmain(String[] args)throwsException {  CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(Main::getMoreData);  Future<Integer> f = future.whenComplete((v, e) -> {  System.out.println(v);  System.out.println(e);  });  System.out.println(f.get());  System.in.read();  } } 

exceptionally 方法返回一个新的CompletableFuture,当原始的CompletableFuture抛出异常的时候,就会触发这个CompletableFuture的计算,调用function计算值,否则如果原始的CompletableFuture正常计算完后,这个新的CompletableFuture也计算完成,它的值和原始的CompletableFuture的计算的值相同。也就是这个 exceptionally 方法用来处理异常的情况。

下面一组方法虽然也返回CompletableFuture对象,但是对象的值和原来的CompletableFuture计算的值不同。当原先的CompletableFuture的值计算完成或者抛出异常的时候,会触发这个CompletableFuture对象的计算,结果由 BiFunction 参数计算而得。因此这组方法兼有 whenComplete 和转换的两个功能。

public<U> CompletableFuture<U>handle(BiFunction<?superT,Throwable,? extends U> fn) public<U> CompletableFuture<U>handleAsync(BiFunction<?superT,Throwable,? extends U> fn) public<U> CompletableFuture<U>handleAsync(BiFunction<?superT,Throwable,? extends U> fn, Executor executor) 

同样,不以 Async 结尾的方法由原来的线程计算,以 Async 结尾的方法由默认的线程池 ForkJoinPool.commonPool() 或者指定的线程池 executor 运行。

转换

CompletableFuture 可以作为monad(单子)和functor。由于回调风格的实现,我们不必因为等待一个计算完成而阻塞着调用线程,而是告诉 CompletableFuture 当计算完成的时候请执行某个 function 。而且我们还可以将这些操作串联起来,或者将 CompletableFuture 组合起来。

public<U> CompletableFuture<U>thenApply(Function<?superT,? extends U> fn) public<U> CompletableFuture<U>thenApplyAsync(Function<?superT,? extends U> fn) public<U> CompletableFuture<U>thenApplyAsync(Function<?superT,? extends U> fn, Executor executor) 

这一组函数的功能是当原来的CompletableFuture计算完后,将结果传递给函数 fn ,将 fn 的结果作为新的 CompletableFuture 计算结果。因此它的功能相当于将 CompletableFuture<T> 转换成 CompletableFuture<U>

这三个函数的区别和上面介绍的一样,不以 Async 结尾的方法由原来的线程计算,以 Async 结尾的方法由默认的线程池 ForkJoinPool.commonPool() 或者指定的线程池 executor 运行。Java的CompletableFuture类总是遵循这样的原则,下面就不一一赘述了。

使用例子如下:

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return100; }); CompletableFuture<String> f = future.thenApplyAsync(i -> i * 10).thenApply(i -> i.toString()); System.out.println(f.get()); //"1000" 

需要注意的是,这些转换并不是马上执行的,也不会阻塞,而是在前一个stage完成后继续执行。

它们与 handle 方法的区别在于 handle 方法会处理正常计算值和异常,因此它可以屏蔽异常,避免异常继续抛出。而 thenApply 方法只是用来处理正常值,因此一旦有异常就会抛出。

纯消费(执行Action)

上面的方法是当计算完成的时候,会生成新的计算结果( thenApply , handle ),或者返回同样的计算结果 whenCompleteCompletableFuture 还提供了一种处理结果的方法,只对结果执行 Action ,而不返回新的计算值,因此计算值为 Void :

publicCompletableFuture<Void>thenAccept(Consumer<?superT> action) publicCompletableFuture<Void>thenAcceptAsync(Consumer<?superT> action) publicCompletableFuture<Void>thenAcceptAsync(Consumer<?superT> action, Executor executor) 

看它的参数类型也就明白了,它们是函数式接口 Consumer ,这个接口只有输入,没有返回值。

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return100; }); CompletableFuture<Void> f = future.thenAccept(System.out::println); System.out.println(f.get()); 

thenAcceptBoth 以及相关方法提供了类似的功能,当两个CompletionStage都正常完成计算的时候,就会执行提供的 action ,它用来组合另外一个异步的结果。

runAfterBoth 是当两个CompletionStage都正常完成计算的时候,执行一个Runnable,这个Runnable并不使用计算的结果。

public<U> CompletableFuture<Void>thenAcceptBoth(CompletionStage<? extends U> other, BiConsumer<?superT,?superU> action) public<U> CompletableFuture<Void>thenAcceptBothAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiConsumer<?superT,?superU> action) public<U> CompletableFuture<Void>thenAcceptBothAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiConsumer<?superT,?superU> action, Executor executor) publicCompletableFuture<Void>runAfterBoth(CompletionStage<?> other, Runnable action) 

例子如下:

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return100; }); CompletableFuture<Void> f = future.thenAcceptBoth(CompletableFuture.completedFuture(10), (x, y) -> System.out.println(x * y)); System.out.println(f.get()); 

更彻底地,下面一组方法当计算完成的时候会执行一个Runnable,与 thenAccept 不同,Runnable并不使用CompletableFuture计算的结果。

publicCompletableFuture<Void>thenRun(Runnable action) publicCompletableFuture<Void>thenRunAsync(Runnable action) publicCompletableFuture<Void>thenRunAsync(Runnable action, Executor executor) 

因此先前的CompletableFuture计算的结果被忽略了,这个方法返回 CompletableFuture<Void> 类型的对象。

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return100; }); CompletableFuture<Void> f = future.thenRun(() -> System.out.println("finished")); System.out.println(f.get()); 

因此,你可以根据方法的参数的类型来加速你的记忆。 Runnable 类型的参数会忽略计算的结果, Consumer 是纯消费计算结果, BiConsumer 会组合另外一个 CompletionStage 纯消费, Function 会对计算结果做转换, BiFunction 会组合另外一个 CompletionStage 的计算结果做转换。

组合

public<U> CompletableFuture<U>thenCompose(Function<?superT,? extends CompletionStage<U>> fn) public<U> CompletableFuture<U>thenComposeAsync(Function<?superT,? extends CompletionStage<U>> fn) public<U> CompletableFuture<U>thenComposeAsync(Function<?superT,? extends CompletionStage<U>> fn, Executor executor) 

这一组方法接受一个Function作为参数,这个Function的输入是当前的CompletableFuture的计算值,返回结果将是一个新的CompletableFuture,这个新的CompletableFuture会组合原来的CompletableFuture和函数返回的CompletableFuture。因此它的功能类似:

A +--> B +---> C

记住, thenCompose 返回的对象并不一是函数 fn 返回的对象,如果原来的 CompletableFuture 还没有计算出来,它就会生成一个新的组合后的CompletableFuture。

例子:

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return100; }); CompletableFuture<String> f = future.thenCompose( i -> { returnCompletableFuture.supplyAsync(() -> { return(i *10) +"";  }); }); System.out.println(f.get()); //1000 

而下面的一组方法 thenCombine 用来复合另外一个CompletionStage的结果。它的功能类似:


A +
|
+------> C
+------^
B +

两个CompletionStage是并行执行的,它们之间并没有先后依赖顺序, other 并不会等待先前的 CompletableFuture

执行完毕后再执行。

public<U,V> CompletableFuture<V>thenCombine(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<?superT,?superU,? extends V> fn) public<U,V> CompletableFuture<V>thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<?superT,?superU,? extends V> fn) public<U,V> CompletableFuture<V>thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<?superT,?superU,? extends V> fn, Executor executor) 

其实从功能上来讲,它们的功能更类似 thenAcceptBoth ,只不过 thenAcceptBoth 是纯消费,它的函数参数没有返回值,而 thenCombine 的函数参数 fn 有返回值。

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return100; }); CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return"abc"; }); CompletableFuture<String> f = future.thenCombine(future2, (x,y) -> y + "-"+ x); System.out.println(f.get()); //abc-100 

Either

thenAcceptBothrunAfterBoth 是当两个CompletableFuture都计算完成,而我们下面要了解的方法是当任意一个CompletableFuture计算完成的时候就会执行。

publicCompletableFuture<Void>acceptEither(CompletionStage<? extends T> other, Consumer<?superT> action) publicCompletableFuture<Void>acceptEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other, Consumer<?superT> action) publicCompletableFuture<Void>acceptEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other, Consumer<?superT> action, Executor executor)  public<U> CompletableFuture<U>applyToEither(CompletionStage<? extends T> other, Function<?superT,U> fn) public<U> CompletableFuture<U>applyToEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other, Function<?superT,U> fn) public<U> CompletableFuture<U>applyToEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other, Function<?superT,U> fn, Executor executor) 

acceptEither 方法是当任意一个CompletionStage完成的时候, action 这个消费者就会被执行。这个方法返回 CompletableFuture<Void>
applyToEither 方法是当任意一个CompletionStage完成的时候, fn 会被执行,它的返回值会当作新的 CompletableFuture<U> 的计算结果。

下面这个例子有时会输出 100 ,有时候会输出 200 ,哪个Future先完成就会根据它的结果计算。

Random rand = newRandom(); CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try{  Thread.sleep(10000+ rand.nextInt(1000));  } catch(InterruptedException e) {  e.printStackTrace();  } return100; }); CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try{  Thread.sleep(10000+ rand.nextInt(1000));  } catch(InterruptedException e) {  e.printStackTrace();  } return200; }); CompletableFuture<String> f = future.applyToEither(future2,i -> i.toString()); 

辅助方法 allOfanyOf

前面我们已经介绍了几个静态方法: completedFuturerunAsyncsupplyAsync ,下面介绍的这两个方法用来组合多个CompletableFuture。

publicstaticCompletableFuture<Void>allOf(CompletableFuture<?>... cfs) publicstaticCompletableFuture<Object>anyOf(CompletableFuture<?>... cfs) 

allOf 方法是当所有的 CompletableFuture 都执行完后执行计算。

anyOf 方法是当任意一个 CompletableFuture 执行完后就会执行计算,计算的结果相同。

下面的代码运行结果有时是100,有时是"abc"。但是 anyOfapplyToEither 不同。 anyOf 接受任意多的CompletableFuture但是 applyToEither 只是判断两个CompletableFuture, anyOf 返回值的计算结果是参数中其中一个CompletableFuture的计算结果, applyToEither 返回值的计算结果却是要经过 fn 处理的。当然还有静态方法的区别,线程池的选择等。

Random rand = newRandom(); CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try{  Thread.sleep(10000+ rand.nextInt(1000));  } catch(InterruptedException e) {  e.printStackTrace();  } return100; }); CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try{  Thread.sleep(10000+ rand.nextInt(1000));  } catch(InterruptedException e) {  e.printStackTrace();  } return"abc"; }); //CompletableFuture<Void> f = CompletableFuture.allOf(future1,future2); CompletableFuture<Object> f = CompletableFuture.anyOf(future1,future2); System.out.println(f.get()); 

我想通过上面的介绍,应该把CompletableFuture的方法和功能介绍完了( cancelisCompletedExceptionally()isDone() 以及继承于Object的方法无需介绍了, toCompletableFuture() 返回CompletableFuture本身),希望你能全面了解CompletableFuture强大的功能,并将它应用到Java的异步编程中。如果你有使用它的开源项目,可以留言分享一下。

更进一步

如果你用过Guava的Future类,你就会知道它的 Futures 辅助类提供了很多便利方法,用来处理多个Future,而不像Java的CompletableFuture,只提供了 allOfanyOf 两个方法。 比如有这样一个需求,将多个CompletableFuture组合成一个CompletableFuture,这个组合后的CompletableFuture的计算结果是个List,它包含前面所有的CompletableFuture的计算结果,guava的 Futures.allAsList 可以实现这样的功能,但是对于java CompletableFuture,我们需要一些辅助方法:

publicstatic<T> CompletableFuture<List<T>>sequence(List<CompletableFuture<T>> futures) {  CompletableFuture<Void> allDoneFuture = CompletableFuture.allOf(futures.toArray(newCompletableFuture[futures.size()])); returnallDoneFuture.thenApply(v -> futures.stream().map(CompletableFuture::join).collect(Collectors.<T>toList()));  } publicstatic<T> CompletableFuture<Stream<T>>sequence(Stream<CompletableFuture<T>> futures) {  List<CompletableFuture<T>> futureList = futures.filter(f -> f != null).collect(Collectors.toList()); returnsequence(futureList);  } 

或者Java Future转CompletableFuture:

publicstatic<T> CompletableFuture<T>toCompletable(Future<T> future, Executor executor) { returnCompletableFuture.supplyAsync(() -> { try{ returnfuture.get();  } catch(InterruptedException | ExecutionException e) { thrownewRuntimeException(e);  }  }, executor); } 

github有多个项目可以实现Java CompletableFuture与其它Future (如Guava ListenableFuture)之间的转换,如 spotify/futures-extra 、 future-converter 、 scala/scala-java8-compat 等。

参考文档

  1. Java 8: Definitive guide to CompletableFuture
  2. https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/CompletableFuture.html
  3. https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/CompletionStage.html

原文  http://colobu.com/2016/02/29/Java-CompletableFuture/

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