CompletableFuture 简介

CompletableFuture 是 Java 8 引入的一个非常重要的类，属于 java.util.concurrent 包，它是一个 异步编程 的工具类，能够让我们更加轻松地处理异步计算。它扩展了传统的 Future 接口，提供了更多功能，比如回调、任务组合、异常处理等。通过 CompletableFuture，我们可以更加方便地进行并发编程，避免了传统的 回调地狱（callback hell），使代码更加简洁、可读。

CompletableFuture 允许你异步地执行任务，并在任务完成后自动触发回调。它不仅支持简单的异步任务执行，还提供了链式操作，能够方便地处理多个并行任务的结果。它支持异步处理、任务合并、异常处理、回调机制等，适用于复杂的异步任务和并发计算场景。

CompletableFuture 的常见特性

1. 异步计算：通过 CompletableFuture 可以异步执行任务，避免主线程阻塞。
2. 任务组合：多个异步任务可以组合，任务的结果可以通过链式操作进行处理。
3. 回调处理：支持任务完成时自动执行回调操作，简化了异步任务管理。
4. 异常处理：通过 exceptionally()、handle() 等方法进行异常捕获和处理。
5. 任务组合：通过 thenCombine()、thenCompose() 等方法可以将多个异步任务组合成一个复杂任务。

CompletableFuture 的使用方法

1. 创建 CompletableFuture

CompletableFuture 提供了几种方式来创建异步任务：

• supplyAsync()：执行一个有返回值的异步任务。
• runAsync()：执行一个没有返回值的异步任务。

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class CompletableFutureExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 创建一个异步任务，返回结果
        CompletableFuture future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                // 模拟长时间运行的任务
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return 123;
        });

        // 等待任务完成并获取结果
        System.out.println("Result: " + future.get());  // 输出: Result: 123
    }
}

get() 方法会阻塞当前线程直到任务完成并返回结果。如果希望非阻塞地获取结果，可以使用回调方法（如 thenApply）进行处理。

2. 异步任务的回调处理

CompletableFuture 提供了多种回调方法来处理异步结果，常见的回调方法包括：

• thenApply()：处理异步任务的结果并返回新的结果。
• thenAccept()：消费异步任务的结果。
• thenRun()：在任务完成后执行无返回值的操作。

CompletableFuture future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 10);

// thenApply 用于处理异步结果，执行任务后继续执行后续操作
future.thenApply(result -> result * 2)
      .thenAccept(result -> System.out.println("Processed result: " + result));  // 输出 Processed result: 20

在上面的例子中，thenApply() 用于将异步任务的结果乘以 2，然后使用 thenAccept() 消费处理后的结果。

3. 异常处理

CompletableFuture 提供了异常处理机制，允许你对异步任务中可能发生的异常进行处理。通过 exceptionally() 和 handle() 方法，你可以在任务出现异常时提供备用逻辑或恢复操作。

CompletableFuture future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    if (true) throw new RuntimeException("Error occurred");
    return 42;
});

// 异常处理
future.exceptionally(ex -> {
    System.out.println("Exception: " + ex.getMessage());
    return 0;  // 返回默认值
}).thenAccept(result -> System.out.println("Result: " + result));  // 输出 Exception: Error occurred! Result: 0

4. 任务的组合

CompletableFuture 允许多个异步任务组合。常用的组合方法包括：

• thenCombine()：将两个异步任务的结果合并。
• thenCompose()：将一个异步任务的结果作为下一个任务的输入。

CompletableFuture future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 5);
CompletableFuture future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 10);

// 使用 thenCombine 合并两个异步任务的结果
future1.thenCombine(future2, (result1, result2) -> result1 + result2)
       .thenAccept(result -> System.out.println("Combined result: " + result));  // 输出 Combined result: 15

在这个例子中，thenCombine 合并了 future1 和 future2 的结果，并将它们相加。

5. allOf 和 anyOf

• allOf：等待所有的异步任务都完成。
• anyOf：等待第一个完成的异步任务。

CompletableFuture future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 1);
CompletableFuture future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 2);
CompletableFuture future3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 3);

// 使用 allOf 等待多个异步任务的完成
CompletableFuture allOf = CompletableFuture.allOf(future1, future2, future3);
allOf.thenRun(() -> System.out.println("All tasks completed"));

在上述例子中，allOf 会等待所有任务完成，并执行 thenRun 中的操作。

CompletableFuture 的原理详细介绍

CompletableFuture 是基于 Future 接口的扩展，并且使用 AOP 和 事件驱动 的机制来管理异步任务。它的实现包括以下几个关键部分：

1.异步任务的执行

CompletableFuture 使用 Executor 来执行异步任务，通常默认使用 ForkJoinPool 来执行任务。你可以传入自定义的线程池来管理任务。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
CompletableFuture future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 10, executor);

CompletableFuture 通过 supplyAsync() 或 runAsync() 方法将任务提交给线程池执行，任务完成后通知回调。

2.任务的状态管理

CompletableFuture 维护一个任务状态来追踪任务的执行情况。它使用 volatile 关键字来保证任务状态的可见性，确保线程之间正确地看到任务的执行结果。任务的状态包括：

• 未完成：任务正在执行中。
• 已完成：任务执行完毕，可以返回结果。
• 已取消：任务被取消。
• 异常状态：任务执行过程中出现异常。

3.任务的完成和回调

CompletableFuture 通过事件驱动机制来管理任务的完成和回调。当一个任务完成时，相关的 Runnable 或 Consumer 回调会被触发，执行后续操作。这种机制通常通过 notifyAll() 来实现任务完成的通知。

4.任务合并与组合

CompletableFuture 支持多任务组合，通过 thenApply()、thenCompose() 和 thenCombine() 等方法实现任务之间的依赖和合并。任务组合的实现基于 CompletionStage 接口，提供了多个链式操作方法，允许开发者灵活地组合和处理多个异步任务。

5.线程安全和同步

CompletableFuture 保证其状态和任务结果在多线程之间是线程安全的。对于多个线程共享的任务状态，CompletableFuture 采用 synchronized 和 volatile 来确保状态的正确性。通过 join() 和 get() 等方法，CompletableFuture 提供了同步的方式来获取任务的结果。

CompletableFuture 与 Future 的对比

总结

CompletableFuture 是 Java 8 引入的异步编程工具，它极大简化了异步计算和并发任务的管理。通过提供强大的回调、任务组合、异常处理等特性，CompletableFuture 使得多线程编程更加直观、易于管理。底层上，它通过 Executor 来执行异步任务，通过事件驱动的机制来处理回调和任务状态管理。相比传统的 Future，CompletableFuture 更加灵活和强大，适用于复杂的并发计算场景。