一、寫在開頭
在我們一開始講多執行緒的時候，提到過非同步與同步的概念，這裡面我們再回顧一下：
- 同步：呼叫方在呼叫某個方法後，等待被呼叫方返回結果；呼叫方在取得被呼叫方的返回值後，再繼續執行。呼叫方順序執行，同步等待被呼叫方的返回值，這就是阻塞式呼叫；
- 非同步：呼叫方在呼叫某個方法後，直接返回，不需要等待被呼叫方返回結果；被呼叫方開啟一個執行緒處理任務，呼叫方可以同時去處理其他工作。呼叫方和被呼叫方是非同步的，這就是非阻塞式呼叫。
適應場景
同步：如果資料存線上程間的共享，或競態條件，需要同步。如多個執行緒同時對同一個變數進行讀和寫的操作，必須等前一個請求完成，後一個請求去呼叫前一個請求的結果，這時候就只能採用同步方式。
非同步：當應用程式在物件上呼叫了一個需要花費很長時間來執行的方法，並且不希望讓程式等待方法的返回時，就可以使用非同步，提高效率、加快程式的響應。
而我們今天探討的話題就是Java中的非同步程式設計。
二、Future
為了提升Java程式的響應速度，在JDK1.5時引入了JUC包，裡面包含了一個介面檔案：Future，這是Java中實現非同步程式設計的開端，我們可以將Future理解為一種非同步思想或者一種設計模式；當我們執行某一耗時的任務時，可以將這個耗時任務交給一個子執行緒去非同步執行，同時我們可以乾點其他事情，不用傻傻等待耗時任務執行完成。等我們的事情幹完後，我們再透過 Future 類獲取到耗時任務的執行結果。
它的底層也是幾個很容易理解的介面方法：
// V 代表了Future執行的任務返回值的型別
public interface Future<V> {
// 取消任務執行
// 成功取消返回 true，否則返回 false
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
// 判斷任務是否被取消
boolean isCancelled();
// 判斷任務是否已經執行完成
boolean isDone();
// 獲取任務執行結果
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
// 指定時間內沒有返回計算結果就丟擲 TimeOutException 異常
V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutExceptio
}
這些介面大致提供的服務是：我有一個任務分配給了Future，然後我可以繼續去幹其他的事情，然後我可以在這個過程中去看任務是否完成，也可以取消任務，一段時間後我也可以去獲取到任務執行後的結果，也可以設定任務多久執行完，沒執行完拋異常等。
對於Future的使用，我想大家應該並不陌生的，我們在學習執行緒池的時候就有涉及，看下面這個測試案例：
//這裡使用Executors只是方便測試，正常使用時推薦使用ThreadPoolExecutor！
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
Future<String> submit = executorService.submit(() -> {
try {
Thread.sleep(5000L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "javabuild";
});
String s = submit.get();
System.out.println(s);
executorService.shutdown();
這裡我們透過executorService.submit()方法去提交一個任務，執行緒池會返回一個 Future 型別的物件，透過這個 Future 物件可以判斷任務是否執行成功，並且可以透過 Future 的 get()方法來獲取返回值。
三、Future實戰
經過了上面的學習瞭解，我們來根據案例場景進行實戰使用Future，畢竟現在很多大廠除了問面試八股文之外，更多的會涉及到場景題！
場景模擬
假如你是一個12306的開發人員，為了在節假日滿足大量使用者的出行需要，請高效的完成：使用者搜尋一個目的地，推薦出所有的交通方案+酒店+耗時，並根據價格從低到高排序
拿到這種場景題的時候，我們往往需要分步處理：
- 根據目的地，搜尋出所有的飛機、火車、客車路線，每個路線間隔30分鐘；
- 計算出每種路線的耗時；
- 根據交通方案中最後一個到站點進行可用酒店匹配；
- 根據不同交通方案+對應的酒店價格進行最終出行總價格計算；
- 將所有組合的出行方案反饋給使用者。
好了，分析完我們大概需要做的步驟，我們就來透過程式碼實現一下吧
第一步： 我們先來建立一個固定10個執行緒的執行緒池，用來處理以上每一步的任務。
//這裡使用Executors只是演示，正常使用時推薦使用ThreadPoolExecutor！
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
第二步： 部分程式碼例項，方法就不貼了，太多太長了，大家需要對Future的用法理解即可
// 1. 根據傳入的目的地查詢所有出行方案，包括交通組合，價格，到站地點，出發時間，到站時間等
Future<List<TripMethods>> tripMethods = executor.submit(() -> searchMethods(searchCondition));
List<TripMethods> methods;
try {
methods = tripMethods.get();
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
// 處理異常
}
// 2. 對每個出行方案的最終到站點查詢酒店
List<Future<List<Hotel>>> futureHotelsList = new ArrayList<>();
for (TripMethods method : methods) {
Future<List<Hotel>> futureHotels = executor.submit(() -> searchHotels(method));
futureHotelsList.add(futureHotels);
}
// 出行方案=交通方案+酒店+耗時+價格
List<Future<List<TravelPackage>>> futureTravelPackagesList = new ArrayList<>();
for (Future<List<Hotel>> futureHotels : futureHotelsList) {
List<Hotel> hotels;
try {
hotels = futureHotels.get();
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
// 處理異常
}
// 3. 對每個交通方案的價格和其對應的酒店價格進行求和
for (Hotel hotel : hotels) {
Future<List<TravelPackage>> futureTravelPackages = executor.submit(() -> calculatePrices(hotel));
futureTravelPackagesList.add(futureTravelPackages);
}
}
List<TravelPackage> travelPackages = new ArrayList<>();
for (Future<List<TravelPackage>> futureTravelPackages : futureTravelPackagesList) {
try {
travelPackages.addAll(futureTravelPackages.get());
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
// 處理異常
}
}
// 4. 將所有出行方案按照價格排序
travelPackages.sort(Comparator.comparing(TravelPackage::getPrice));
// 5. 返回結果
return travelPackages;
我們在這裡將每一步分任務，都作為一個future物件，處理完返回。但是這樣會帶來諸多問題，比如：我們呼叫future的get方法是阻塞操作，大大影響效率，並且在複雜的鏈路關係中，這種拆分式的寫法，很難理清楚關聯關係，先後關係等；
四、CompletableFuture 調優
在這種背景下，Java 8 時引入CompletableFuture 類，它的誕生是為了解決Future 的這些缺陷。CompletableFuture 除了提供了更為好用和強大的 Future 特性之外，還提供了函數語言程式設計、非同步任務編排組合（可以將多個非同步任務串聯起來，組成一個完整的鏈式呼叫）等能力。
//CompletableFuture實現了Future的介面方法，CompletionStage 介面描述了一個非同步計算的階段。很多計算可以分成多個階段或步驟，此時可以透過它將所有步驟組合起來，形成非同步計算的流水線。
public class CompletableFuture<T> implements Future<T>, CompletionStage<T> {
}
在CompletableFuture類中透過CompletionStage提供了大量的介面方法，他們讓CompletableFuture擁有了出色的函數語言程式設計能力，方法太多，我們無法一一講解，只能透過對上面測試原始碼進行調優時，去使用，使用到的解釋一下哈。
【CompletableFuture最佳化程式碼】
CompletableFuture.supplyAsync(() -> searchMethods()) // 1. 根據傳入的目的地查詢所有出行方案，包括交通組合，價格，到站地點，出發時間，到站時間等
.thenCompose(methods -> { // 2. 對每個出行方案的最終到站點查詢酒店
List<CompletableFuture<List<TravelPackage>>> travelPackageFutures = methods.stream()
.map(method -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> searchHotels(method)) // 查詢酒店
.thenCompose(hotels -> { // 3. 對每個交通方案的價格和其對應的酒店價格進行求和
List<CompletableFuture<TravelPackage>> packageFutures = hotels.stream()
.map(hotel -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> new TravelPackage(method, hotel)))
.collect(Collectors.toList());
return CompletableFuture.allOf(packageFutures.toArray(new CompletableFuture[0]))
.thenApply(v -> packageFutures.stream()
.map(CompletableFuture::join)
.collect(Collectors.toList()));
}))
.collect(Collectors.toList());
return CompletableFuture.allOf(travelPackageFutures.toArray(new CompletableFuture[0]))
.thenApply(v -> travelPackageFutures.stream()
.flatMap(future -> future.join().stream())
.collect(Collectors.toList()));
})
.thenApply(travelPackages -> { // 4. 將所有出行方案按照價格排序
return travelPackages.stream()
.sorted(Comparator.comparing(TravelPackage::getPrice))
.collect(Collectors.toList());
})
.exceptionally(e -> { // 處理所有的異常
// 處理異常
return null;
});
在這裡我們將整個實現都以一種函式鏈式呼叫的方式完成了，看似冗長，實則各個關係的先後非常明確，對於複雜的業務邏輯實現更加容易進行問題的排查與理解。
【解析】
1）在這段程式碼的開頭，我們透過CompletableFuture 自帶的靜態工廠方法supplyAsync() 進行物件的建立，平時還可以用以new關鍵字或者runAsync()方法建立例項；
static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier);
// 使用自定義執行緒池(推薦)
static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor);
static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable);
// 使用自定義執行緒池(推薦)
static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor);
2）thenCompose()：用 thenCompose() 按順序連結兩個 CompletableFuture 物件，實現非同步的任務鏈。它的作用是將前一個任務的返回結果作為下一個任務的輸入引數，從而形成一個依賴關係。注意：這個方法是非阻塞的，即查詢酒店的操作會立即開始，而不需要等待查詢交通方案的操作完成。
3）thenApply()：thenApply() 方法接受一個 Function 例項，用它來處理結果；
4）allOf() ：方法會等到所有的 CompletableFuture 都執行完成之後再返回；
5） 呼叫 join() 可以讓程式等待都執行完了之後再繼續執行。
6）exceptionally()：這個方法用於處理CompletableFuture的異常情況，如果CompletableFuture的計算過程中丟擲異常，那麼這個方法會被呼叫。
五、總結
好了，今天就講這麼多，其實在Java中透過條用CompletableFuture實現非同步編排的工作還是稍微有點難度的，大量的API支援，需要我們在一次次的實戰中去熟悉，並靈活使用。推薦大家去看看京東的asyncTool這個框架，裡面就大量使用了CompletableFuture。
結尾彩蛋
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