24 | CompletableFuture：Java异步编程

用多线程优化性能，其实不过就是将串行操作变成并行操作。如果仔细观察，你还会发现在串行转换成并行的过程中，一定会涉及到异步化。

异步化，是并行方案得以实施的基础，更深入地讲其实就是：利用多线程优化性能这个核心方案得以实施的基础。异步化，也是未来提升性能的趋势。

而异步化的任务，我们通常是需要获取异步任务的结果的， Future：获取线程的执行结果，但 Future 本身功能还是很有限的。

简单的任务，用Future获取结果还好，但我们并行提交的多个异步任务，往往并不是独立的，很多时候业务逻辑处理存在串行[依赖]、并行、聚合的关系。如果要我们手动用 Fueture 实现，是非常麻烦的。

Java 在 1.8 版本提供了 CompletableFuture 来 Java 支持异步编程，CompletableFuture 是并发工具类最复杂、方法最多的工具类了，同时功能也非常强大。

为了领略 CompletableFuture 异步编程的优势，这里我们用 CompletableFuture 重新实现前面曾提及的烧水泡茶程序。首先还是需要先完成分工方案，在下面的程序中，我们分了 3 个任务：任务 1 负责洗水壶、烧开水，任务 2 负责洗茶壶、洗茶杯和拿茶叶，任务 3 负责泡茶。其中任务 3 要等待任务 1 和任务 2 都完成后才能开始。这个分工如下图所示。

下面是代码实现，你先略过 runAsync()、supplyAsync()、thenCombine() 这些不太熟悉的方法，从整体上看，你会发现使用CompletableFuture的优势：

1、无需手工维护线程，没有繁琐的手工维护线程的工作，给任务分配线程的工作也不需要我们关注；

2、语义更清晰，例如 f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 能够清晰地表述“任务 3 要等待任务 1 和任务 2 都完成后才能开始”；

3、代码更简练并且专注于业务逻辑，几乎所有代码都是业务逻辑相关的。

下面详细介绍 CompletableFuture 的使用。CompletableFuture 的使用核心是两部分，一部分是CompletableFuture的创建，另外一部分是如何使用CompletableFuture表述多个任务之间的and、or、聚合关系以及异常处理。

CompletableFuture 对象主要靠下面代码中展示的这 4 个静态方法，我们先看前两个。在烧水泡茶的例子中，我们已经使用了runAsync(Runnable runnable)和supplyAsync(Supplier<U> supplier)，它们之间的区别是：Runnable 接口的 run() 方法没有返回值，而 Supplier 接口的 get() 方法是有返回值的。

前两个方法和后两个方法的区别在于：后两个方法可以指定线程池参数。

默认情况下 CompletableFuture 会使用公共的 ForkJoinPool 线程池，这个线程池默认创建的线程数是 CPU 的核数。

如果所有 CompletableFuture 共享一个线程池，那么一旦有任务执行一些很慢的 I/O 操作，就会导致线程池中所有线程都阻塞在 I/O 操作上，从而造成线程饥饿，进而影响整个系统的性能。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。

创建完 CompletableFuture 对象之后，会自动地异步执行 runnable.run() 方法或者 supplier.get() 方法，对于一个异步操作，你需要关注两个问题：一个是异步操作什么时候结束，另一个是如何获取异步操作的执行结果。因为 CompletableFuture 类实现了 Future 接口，所以这两个问题你都可以通过 Future 接口来解决。另外，CompletableFuture 类还实现了 CompletionStage 接口，CompletionStage更复杂，有40个方法（但这些API之间是有规律可循的）。

CompletableFuture 实现了 Future 和 CompletionStage 两个接口。实现 Future 接口是为了关注异步任务什么时候结束，和获取异步任务执行的结果。实现 CompletionStage 接口，其提供了非常丰富的功能，实现了串行关系、并行关系、聚合关系等。

我们并行提交异步任务，往往并不是独立的，很多时候业务逻辑处理存在串行[依赖]、并行、聚合的关系。如果要我们手动实现(Fueture)，是非常麻烦的。

站在分工的角度类比一下工作流。任务也是有时序关系的，比如有串行关系、并行关系、聚合关系等。这样说可能有点抽象，这里还举前面烧水泡茶的例子，其中洗水壶和烧开水就是串行关系，洗水壶、烧开水和洗茶壶、洗茶杯这两组任务之间就是并行关系，而烧开水、拿茶叶和泡茶就是聚合关系。

CompletionStage 接口可以清晰地描任务之间的这种时序关系，例如前面提到的 f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 描述的就是一种聚合关系。烧水泡茶程序中的聚合关系是一种 AND 聚合关系，这里的 AND 指的是所有依赖的任务（烧开水和拿茶叶）都完成后才开始执行当前任务（泡茶）。既然有 AND 聚合关系，那就一定还有 OR 聚合关系，所谓 OR 指的是依赖的任务只要有一个完成就可以执行当前任务。

在编程领域，还有一个绕不过去的山头，那就是异常处理，CompletionStage 接口也可以方便地描述异常处理。

下面我们就来一一介绍，CompletionStage 接口如何描述串行关系、AND 聚合关系、OR 聚合关系以及异常处理。

CompletionStage 接口里面描述串行关系，主要是 thenApply、thenAccept、thenRun 和 thenCompose 这四个系列的接口。

thenApply 系列函数里参数 fn 的类型是接口 Function<T, R>，这个接口里与 CompletionStage 相关的方法是 R apply(T t)，这个方法既能接收参数也支持返回值，所以 thenApply 系列方法返回的是CompletionStage<R>。

而 thenAccept 系列方法里参数 consumer 的类型是接口Consumer<T>，这个接口里与 CompletionStage 相关的方法是 void accept(T t)，这个方法虽然支持参数，但却不支持回值，所以 thenAccept 系列方法返回的是CompletionStage<Void>。

thenRun 系列方法里 action 的参数是 Runnable，所以 action 既不能接收参数也不支持返回值，所以 thenRun 系列方法返回的也是CompletionStage<Void>。

这些方法里面 Async 代表的是异步执行 fn、consumer 或者 action。其中，需要你注意的是 thenCompose 系列方法，这个系列的方法会新创建出一个子流程，最终结果和 thenApply 系列是相同的。

通过下面的示例代码，你可以看一下 thenApply() 方法是如何使用的。首先通过 supplyAsync() 启动一个异步流程，之后是两个串行操作，整体看起来还是挺简单的。不过，虽然这是一个异步流程，但任务①②③却是串行执行的，②依赖①的执行结果，③依赖②的执行结果。

CompletionStage 接口里面描述 AND 聚合关系，主要是 thenCombine、thenAcceptBoth 和 runAfterBoth 系列的接口，这些接口的区别也是源自 fn、consumer、action 这三个核心参数不同。它们的使用你可以参考上面烧水泡茶的实现程序，这里就不赘述了。

CompletionStage 接口里面描述 OR 关系，主要是 applyToEither、acceptEither 和 runAfterEither 系列的接口，这些接口的区别也是源自 fn、consumer、action 这三个核心参数不同。

下面的示例代码展示了如何使用 applyToEither() 方法来描述一个 OR 关系，

CompletionStage 接口描述 OR 关系的 applyToEither、acceptEither 在实际开发中，某些场景下非常有用；如对外提供的某个查询接口，可以查缓存、也可以查询DB，通常查询缓存速度很快，但缓存存在有效期，可能失效；如果每次我们自己判断是否缓存失败，失败再去查DB，这样显得繁琐，可以用 applyToEither 同时查询，有任意一个返回就能返回结果。

虽然上面我们提到的 fn、consumer、action 它们的核心方法都不允许抛出可检查异常，但是却无法限制它们抛出运行时异常，例如下面的代码，执行 7/0 就会出现除零错误这个运行时异常。非异步编程里面，我们可以使用 try{}catch{}来捕获并处理异常，那在异步编程里面，异常该如何处理呢？

CompletionStage 接口给我们提供的方案非常简单，比 try{}catch{}还要简单，下面是相关的方法，使用这些方法进行异常处理和串行操作是一样的，都支持链式编程方式。

下面的示例代码展示了如何使用 exceptionally() 方法来处理异常，exceptionally() 的使用非常类似于 try{}catch{}中的 catch{}，而且支持链式编程方式，所以相对更简单。

既然有 try{}catch{}，那就一定还有 try{}finally{}，whenComplete() 和 handle() 系列方法就类似于 try{}finally{}中的 finally{}，无论是否发生异常都会执行 whenComplete() 中的回调函数 consumer 和 handle() 中的回调函数 fn。whenComplete() 和 handle() 的区别在于 whenComplete() 不支持返回结果，而 handle() 是支持返回结果的。