Java8的CompletableFuture進階之道

油膩的Java發表於2019-04-03
Java

簡介

作為Java 8 Concurrency API改進而引入，本文是CompletableFuture類的功能和用例的介紹。同時在Java 9 也有對CompletableFuture有一些改進，之後再進入講解。

Future計算

Future非同步計算很難操作，通常我們希望將任何計算邏輯視為一系列步驟。但是在非同步計算的情況下，表示為回撥的方法往往分散在程式碼中或者深深地巢狀在彼此內部。但是當我們需要處理其中一個步驟中可能發生的錯誤時，情況可能會變得更復雜。

Futrue介面是Java 5中作為非同步計算而新增的，但它沒有任何方法去進行計算組合或者處理可能出現的錯誤。

在Java 8中，引入了CompletableFuture類。與Future介面一起，它還實現了CompletionStage介面。此介面定義了可與其他Future組合成非同步計算契約。

CompletableFuture同時是一個組合和一個框架，具有大約50種不同的構成，結合，執行非同步計算步驟和處理錯誤。

如此龐大的API可能會令人難以招架，下文將調一些重要的做重點介紹。

使用CompletableFuture作為Future實現

首先，CompletableFuture類實現Future介面，因此你可以將其用作Future實現，但需要額外的完成實現邏輯。

例如，你可以使用無構參建構函式建立此類的例項，然後使用complete方法完成。消費者可以使用get方法來阻塞當前執行緒，直到get()結果。

在下面的示例中，我們有一個建立CompletableFuture例項的方法，然後在另一個執行緒中計算並立即返回Future。

計算完成後，該方法通過將結果提供給完整方法來完成Future：


public Future<String> calculateAsync() throws InterruptedException {
    CompletableFuture<String> completableFuture 
      = new CompletableFuture<>();
 
    Executors.newCachedThreadPool().submit(() -> {
        Thread.sleep(500);
        completableFuture.complete("Hello");
        return null;
    });
 
    return completableFuture;
}

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為了分離計算，我們使用了Executor API ，這種建立和完成CompletableFuture的方法可以與任何併發包（包括原始執行緒）一起使用。

請注意，該calculateAsync方法返回一個Future例項。

我們只是呼叫方法，接收Future例項並在我們準備阻塞結果時呼叫它的get方法。

另請注意，get方法丟擲一些已檢查的異常，即ExecutionException（封裝計算期間發生的異常）和InterruptedException（表示執行方法的執行緒被中斷的異常）：

Future<String> completableFuture = calculateAsync();
 
// ... 
 
String result = completableFuture.get();
assertEquals("Hello", result);

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如果你已經知道計算的結果，也可以用變成同步的方式來返回結果。

Future<String> completableFuture = 
  CompletableFuture.completedFuture("Hello");
 
// ...
 
String result = completableFuture.get();
assertEquals("Hello", result);
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作為在某些場景中，你可能希望取消Future任務的執行。

假設我們沒有找到結果並決定完全取消非同步執行任務。這可以通過Future的取消方法完成。此方法mayInterruptIfRunning，但在CompletableFuture的情況下，它沒有任何效果，因為中斷不用於控制CompletableFuture的處理。

這是非同步方法的修改版本：


public Future<String> calculateAsyncWithCancellation() throws InterruptedException {
    CompletableFuture<String> completableFuture = new CompletableFuture<>();
 
    Executors.newCachedThreadPool().submit(() -> {
        Thread.sleep(500);
        completableFuture.cancel(false);
        return null;
    });
 
    return completableFuture;
}

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當我們使用Future.get()方法阻塞結果時，cancel()表示取消執行，它將丟擲CancellationException：

Future<String> future = calculateAsyncWithCancellation();
future.get(); // CancellationException

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API介紹

static方法說明

上面的程式碼很簡單，下面介紹幾個 static 方法，它們使用任務來例項化一個 CompletableFuture 例項。


CompletableFuture.runAsync(Runnable runnable);
CompletableFuture.runAsync(Runnable runnable, Executor executor);

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


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  • runAsync 方法接收的是 Runnable 的例項，但是它沒有返回值
  • supplyAsync 方法是JDK8函式式介面，無引數，會返回一個結果
  • 這兩個方法是 executor 的升級，表示讓任務在指定的執行緒池中執行，不指定的話，通常任務是在 ForkJoinPool.commonPool() 執行緒池中執行的。

supplyAsync()使用

靜態方法runAsync和supplyAsync允許我們相應地從Runnable和Supplier功能型別中建立CompletableFuture例項。

該Runnable的介面是線上程使用舊的介面，它不允許返回值。

Supplier介面是一個不具有引數，並返回引數化型別的一個值的單個方法的通用功能介面。

這允許將Supplier的例項作為lambda表示式提供，該表示式執行計算並返回結果：


CompletableFuture<String> future
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
// ...
 
assertEquals("Hello", future.get());

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thenRun()使用

在兩個任務任務A，任務B中，如果既不需要任務A的值也不想在任務B中引用，那麼你可以將Runnable lambda 傳遞給thenRun()方法。在下面的示例中，在呼叫future.get()方法之後，我們只需在控制檯中列印一行：

模板

CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenRun(() -> {}); 
CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenRun(() -> {});

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  • 第一行用的是 thenRun(Runnable runnable)，任務 A 執行完執行 B，並且 B 不需要 A 的結果。
  • 第二行用的是 thenRun(Runnable runnable)，任務 A 執行完執行 B，會返回resultA，但是 B 不需要 A 的結果。

實戰


CompletableFuture<String> completableFuture 
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<Void> future = completableFuture
  .thenRun(() -> System.out.println("Computation finished."));
 
future.get();

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thenAccept()使用

在兩個任務任務A，任務B中，如果你不需要在Future中有返回值，則可以用 thenAccept方法接收將計算結果傳遞給它。最後的future.get（）呼叫返回Void型別的例項。

模板

CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenAccept(resultA -> {}); 

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenAccept(resultA -> {});

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  • 第一行中，runAsync不會有返回值，第二個方法thenAccept，接收到的resultA值為null，同時任務B也不會有返回結果
  • 第二行中，supplyAsync有返回值，同時任務B不會有返回結果。

實戰


CompletableFuture<String> completableFuture
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<Void> future = completableFuture
  .thenAccept(s -> System.out.println("Computation returned: " + s));
 
future.get();

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thenApply()使用

在兩個任務任務A，任務B中，任務B想要任務A計算的結果，可以用thenApply方法來接受一個函式例項，用它來處理結果，並返回一個Future函式的返回值：

模板

CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenApply(resultA -> "resultB");
CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenApply(resultA -> resultA + " resultB");


複製程式碼
  • 第二行用的是 thenApply(Function fn)，任務 A 執行完執行 B，B 需要 A 的結果，同時任務 B 有返回值。

實戰


CompletableFuture<String> completableFuture
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<String> future = completableFuture
  .thenApply(s -> s + " World");
 
assertEquals("Hello World", future.get());

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當然，多個任務的情況下，如果任務 B 後面還有任務 C，往下繼續呼叫 .thenXxx() 即可。

thenCompose()使用

接下來會有一個很有趣的設計模式；

CompletableFuture API 的最佳場景是能夠在一系列計算步驟中組合CompletableFuture例項。

這種組合結果本身就是CompletableFuture，允許進一步再續組合。這種方法在函式式語言中無處不在，通常被稱為monadic設計模式。

簡單說，Monad就是一種設計模式，表示將一個運算過程，通過函式拆解成互相連線的多個步驟。你只要提供下一步運算所需的函式，整個運算就會自動進行下去。

在下面的示例中，我們使用thenCompose方法按順序組合兩個Futures。

請注意，此方法採用返回CompletableFuture例項的函式。該函式的引數是先前計算步驟的結果。這允許我們在下一個CompletableFuture的lambda中使用這個值：


CompletableFuture<String> completableFuture 
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
    .thenCompose(s -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> s + " World"));
 
assertEquals("Hello World", completableFuture.get());

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該thenCompose方法連同thenApply一樣實現了結果的合併計算。但是他們的內部形式是不一樣的，它們與Java 8中可用的Stream和Optional類的map和flatMap方法是有著類似的設計思路在裡面的。

兩個方法都接收一個CompletableFuture並將其應用於計算結果，但thenCompose（flatMap）方法接收一個函式，該函式返回相同型別的另一個CompletableFuture物件。此功能結構允許將這些類的例項繼續進行組合計算。

thenCombine()

取兩個任務的結果

如果要執行兩個獨立的任務，並對其結果執行某些操作，可以用Future的thenCombine方法：

模板


CompletableFuture<String> cfA = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA");
CompletableFuture<String> cfB = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultB");

cfA.thenAcceptBoth(cfB, (resultA, resultB) -> {});

cfA.thenCombine(cfB, (resultA, resultB) -> "result A + B");

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實戰


CompletableFuture<String> completableFuture 
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
    .thenCombine(CompletableFuture.supplyAsync(
      () -> " World"), (s1, s2) -> s1 + s2));
 
assertEquals("Hello World", completableFuture.get());

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更簡單的情況是，當你想要使用兩個Future結果時，但不需要將任何結果值進行返回時，可以用thenAcceptBoth，它表示後續的處理不需要返回值，而 thenCombine 表示需要返回值：


CompletableFuture future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
  .thenAcceptBoth(CompletableFuture.supplyAsync(() -> " World"),
    (s1, s2) -> System.out.println(s1 + s2));

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thenApply()和thenCompose()之間的區別

在前面的部分中，我們展示了關於thenApply()和thenCompose()的示例。這兩個API都是使用的CompletableFuture呼叫，但這兩個API的使用是不同的。

thenApply()

此方法用於處理先前呼叫的結果。但是，要記住的一個關鍵點是返回型別是轉換泛型中的型別，是同一個CompletableFuture。

因此，當我們想要轉換CompletableFuture 呼叫的結果時，效果是這樣的 ：


CompletableFuture<Integer> finalResult = compute().thenApply(s-> s + 1);


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thenCompose()

該thenCompose()方法類似於thenApply()在都返回一個新的計算結果。但是，thenCompose()使用前一個Future作為引數。它會直接使結果變新的Future，而不是我們在thenApply()中到的巢狀Future，而是用來連線兩個CompletableFuture，是生成一個新的CompletableFuture：


CompletableFuture<Integer> computeAnother(Integer i){
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> 10 + i);
}
CompletableFuture<Integer> finalResult = compute().thenCompose(this::computeAnother);

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因此，如果想要繼續巢狀連結CompletableFuture  方法，那麼最好使用thenCompose()。

並行執行多個任務

當我們需要並行執行多個任務時，我們通常希望等待所有它們執行，然後處理它們的組合結果。

該CompletableFuture.allOf靜態方法允許等待所有的完成任務：

API

public static CompletableFuture<Void> allOf(CompletableFuture<?>... cfs){...}

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實戰


CompletableFuture<String> future1  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
CompletableFuture<String> future2  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Beautiful");
CompletableFuture<String> future3  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "World");
 
CompletableFuture<Void> combinedFuture 
  = CompletableFuture.allOf(future1, future2, future3);
 
// ...
 
combinedFuture.get();
 
assertTrue(future1.isDone());
assertTrue(future2.isDone());
assertTrue(future3.isDone());

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請注意，CompletableFuture.allOf()的返回型別是CompletableFuture 。這種方法的侷限性在於它不會返回所有任務的綜合結果。相反，你必須手動從Futures獲取結果。幸運的是，CompletableFuture.join()方法和Java 8 Streams API可以解決：


String combined = Stream.of(future1, future2, future3)
  .map(CompletableFuture::join)
  .collect(Collectors.joining(" "));
 
assertEquals("Hello Beautiful World", combined);

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CompletableFuture 提供了 join() 方法，它的功能和 get() 方法是一樣的，都是阻塞獲取值，它們的區別在於 join() 丟擲的是 unchecked Exception。這使得它可以在Stream.map（）方法中用作方法引用。

異常處理

說到這裡，我們順便來說下 CompletableFuture 的異常處理。這裡我們要介紹兩個方法：


public CompletableFuture<T> exceptionally(Function<Throwable, ? extends T> fn);
public <U> CompletionStage<U> handle(BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn);

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看下程式碼


CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA")
    .thenApply(resultA -> resultA + " resultB")
    .thenApply(resultB -> resultB + " resultC")
    .thenApply(resultC -> resultC + " resultD");

複製程式碼

上面的程式碼中，任務 A、B、C、D 依次執行，如果任務 A 丟擲異常（當然上面的程式碼不會丟擲異常），那麼後面的任務都得不到執行。如果任務 C 丟擲異常，那麼任務 D 得不到執行。

那麼我們怎麼處理異常呢？看下面的程式碼，我們在任務 A 中丟擲異常，並對其進行處理：


CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    throw new RuntimeException();
})
        .exceptionally(ex -> "errorResultA")
        .thenApply(resultA -> resultA + " resultB")
        .thenApply(resultB -> resultB + " resultC")
        .thenApply(resultC -> resultC + " resultD");

System.out.println(future.join());

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上面的程式碼中，任務 A 丟擲異常，然後通過.exceptionally() 方法處理了異常，並返回新的結果，這個新的結果將傳遞給任務 B。所以最終的輸出結果是：

errorResultA resultB resultC resultD


String name = null;
 
// ...
 
CompletableFuture<String> completableFuture  
  =  CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
      if (name == null) {
          throw new RuntimeException("Computation error!");
      }
      return "Hello, " + name;
  })}).handle((s, t) -> s != null ? s : "Hello, Stranger!");
 
assertEquals("Hello, Stranger!", completableFuture.get());

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當然，它們也可以都為 null，因為如果它作用的那個 CompletableFuture 例項沒有返回值的時候，s 就是 null。

Async字尾方法

CompletableFuture類中的API的大多數方法都有兩個帶有Async字尾的附加修飾。這些方法表示用於非同步執行緒。

沒有Async字尾的方法使用呼叫執行緒執行下一個執行執行緒階段。不帶Async方法使用ForkJoinPool.commonPool()執行緒池的fork / join實現運算任務。帶有Async方法使用傳遞式的Executor任務去執行。

下面附帶一個案例，可以看到有thenApplyAsync方法。在程式內部，執行緒被包裝到ForkJoinTask例項中。這樣可以進一步並行化你的計算並更有效地使用系統資源。


CompletableFuture<String> completableFuture  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<String> future = completableFuture
  .thenApplyAsync(s -> s + " World");
 
assertEquals("Hello World", future.get());

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JDK 9 CompletableFuture API

在Java 9中， CompletableFuture API通過以下更改得到了進一步增強：

  • 新工廠方法增加了
  • 支援延遲和超時
  • 改進了對子類化的支援。

引入了新的例項API：

  • Executor defaultExecutor()
  • CompletableFuture newIncompleteFuture()
  • CompletableFuture copy()
  • CompletionStage minimalCompletionStage()
  • CompletableFuture completeAsync(Supplier<? extends T> supplier, Executor executor)
  • CompletableFuture completeAsync(Supplier<? extends T> supplier)
  • CompletableFuture orTimeout(long timeout, TimeUnit unit)
  • CompletableFuture completeOnTimeout(T value, long timeout, TimeUnit unit)

還有一些靜態實用方法：

  • Executor delayedExecutor(long delay, TimeUnit unit, Executor executor)
  • Executor delayedExecutor(long delay, TimeUnit unit)
  • CompletionStage completedStage(U value)
  • CompletionStage failedStage(Throwable ex)
  • CompletableFuture failedFuture(Throwable ex)

最後，為了解決超時問題，Java 9又引入了兩個新功能：

  • orTimeout()
  • completeOnTimeout()

結論

在本文中，我們描述了CompletableFuture類的方法和典型用例。

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