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解读CompletableFuture的底层原理

作者：拾木200

本文探讨了Java8中CompletableFuture的原理和应用,详解其异步编程能力、工作机制及实际使用方法,CompletableFuture通过链式调用和状态管理优化异步任务,提高Java应用的效率和性能

引言

在现代 Java 编程中，异步编程变得越来越重要。为了实现高效和非阻塞的代码，Java 8 引入了 CompletableFuture，一个用于构建异步应用程序的强大工具。

本文将详细探讨 CompletableFuture 的底层原理，展示其工作机制，并通过代码示例说明如何在实际应用中使用它。

异步编程的背景

异步编程是指在程序运行过程中，不等待某个操作完成，而是继续执行其他操作，待异步操作完成后再处理其结果。这样可以提高程序的效率，特别是在 I/O 操作和网络请求等耗时操作中。

在 Java 8 之前，实现异步编程主要依赖于 Future 接口。然而，Future 存在一些局限性，例如无法手动完成、不能链式调用等。为了解决这些问题，Java 8 引入了 CompletableFuture。

什么是 CompletableFuture

CompletableFuture 是 Java 8 中新增的类，实现了 Future 和 CompletionStage 接口，提供了强大的异步编程能力。

CompletableFuture 允许以非阻塞的方式执行任务，并且可以通过链式调用来组合多个异步操作。

CompletableFuture 的特点

CompletableFuture 的底层原理

工作机制

CompletableFuture 的核心是基于 ForkJoinPool 实现的。ForkJoinPool 是一种特殊的线程池，适用于并行计算任务。它采用了工作窃取算法，能够有效利用多核 CPU 的性能。

当我们提交一个任务给 CompletableFuture 时，它会将任务提交到默认的 ForkJoinPool.commonPool() 中执行。我们也可以指定自定义的线程池来执行任务。

状态管理

CompletableFuture 具有以下几种状态：

这些状态通过内部的 volatile 变量来管理，并使用 CAS（Compare-And-Swap） 操作保证线程安全。

任务调度

CompletableFuture 的任务调度机制基于 ForkJoinPool 的工作窃取算法。当一个线程完成当前任务后，会从其他线程的任务队列中窃取任务执行，从而提高 CPU 利用率。

下面我们通过一个简单的示例代码来理解 CompletableFuture 的基本用法。

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 CompletableFuture 实例
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new IllegalStateException(e);
            }
            return "Hello, World!";
        });

        // 阻塞等待结果
        String result = future.get();
        System.out.println(result);
    }
}

在上面的示例中，我们创建了一个 CompletableFuture 实例，并使用 supplyAsync 方法异步执行任务。

supplyAsync 方法会将任务提交到默认的 ForkJoinPool 中执行。最后，我们使用 get 方法阻塞等待结果并打印输出。

链式调用

CompletableFuture 的一个重要特性是支持链式调用。

通过链式调用，我们可以将多个异步任务组合在一起，形成一个任务流。

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

public class CompletableFutureChainExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new IllegalStateException(e);
            }
            return "Hello, World!";
        }).thenApply(result -> {
            return result + " from CompletableFuture";
        }).thenApply(String::toUpperCase);

        String finalResult = future.get();
        System.out.println(finalResult);
    }
}

在这个示例中，我们使用 thenApply 方法对前一个任务的结果进行处理，并返回一个新的 CompletableFuture 实例。

通过链式调用，我们可以将多个任务串联在一起，形成一个任务流。

组合操作

CompletableFuture 提供了多种方法来组合多个异步任务。以下是一些常用的组合操作示例：

1.thenCombine：组合两个 CompletableFuture，并将两个任务的结果进行处理。

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

public class CompletableFutureCombineExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 5);
        CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 10);

        CompletableFuture<Integer> combinedFuture = future1.thenCombine(future2, Integer::sum);

        System.out.println(combinedFuture.get());  // 输出 15
    }
}

2. thenAcceptBoth：组合两个 CompletableFuture，并对两个任务的结果进行消费处理。

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class CompletableFutureAcceptBothExample {
    public static void main(String[] args) {
        CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 5);
        CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 10);

        future1.thenAcceptBoth(future2, (result1, result2) -> {
            System.out.println("Result: " + (result1 + result2));
        }).join();
    }
}

3. allOf：组合多个 CompletableFuture，并在所有任务完成后执行操作。

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class CompletableFutureAllOfExample {
    public static void main(String[] args) {
        CompletableFuture<Void> future1 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new IllegalStateException(e);
            }
            System.out.println("Task 1 completed");
        });

        CompletableFuture<Void> future2 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new IllegalStateException(e);
            }
            System.out.println("Task 2 completed");
        });

        CompletableFuture<Void> combinedFuture = CompletableFuture.allOf(future1, future2);

        combinedFuture.join();
        System.out.println("All tasks completed");
    }
}

异常处理

在异步任务中处理异常是非常重要的。CompletableFuture 提供了多种方法来处理任务执行过程中的异常。

1.exceptionally：在任务抛出异常时，提供一个默认值。

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

public class CompletableFutureExceptionallyExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            if (true) {
                throw new RuntimeException("Exception occurred");
            }
            return "Hello, World!";
        }).exceptionally(ex -> {
            System.out.println("Exception: " + ex.getMessage());
            return "Default Value";
        });

        System.out.println(future.get());  // 输出 Default Value
    }
}

2. handle：无论任务是否抛出异常，都进行处理。

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

public class CompletableFutureHandleExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            if (true) {
                throw new RuntimeException("Exception occurred");
            }
            return "Hello, World!";
        }).handle((result, ex) -> {
            if (ex != null) {
                return "Default Value";
            }
            return result;
        });

        System.out.println(future.get());  // 输出 Default Value
    }
}

实战案例：构建异步数据处理管道

为了更好地理解 CompletableFuture 的实际应用，我们来构建一个异步数据处理管道。

假设我们有一个数据源，需要对数据进行一系列的处理操作，并将处理结果输出到文件中。

数据源模拟

我们首先模拟一个数据源，该数据源会生成一系列数据。

import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;
import java.util.stream.IntStream;

public class DataSource {
    public List<Integer> getData() {
        return IntStream.range(0, 10).boxed().collect(Collectors.toList());
    }
}

数据处理

接下来，我们定义数据处理操作。

假设我们需要对数据进行两步处理：首先对每个数据乘以 2，然后对结果进行累加。

import java.util.List;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.stream.Collectors;

public class DataProcessor {
    public List<Integer> processStep1(List<Integer> data) {
        return data.stream().map(x -> x * 2).collect(Collectors.toList());
    }

    public Integer processStep2(List<Integer> data) {
        return data.stream().reduce(0, Integer::sum);
    }

    public CompletableFuture<List<Integer>> processStep1Async(List<Integer> data) {
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> processStep1(data));
    }

    public CompletableFuture<Integer> processStep2Async(List<Integer> data) {
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> processStep2(data));
    }
}

结果输出

我们定义一个方法将处理结果输出到文件中。

import java.io.IOException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class ResultWriter {
    public void writeResult(String fileName, Integer result) throws IOException {
        Files.write(Paths.get(fileName), result.toString().getBytes());
    }

    public CompletableFuture<Void> writeResultAsync(String fileName, Integer result) {
        return CompletableFuture.runAsync(() -> {
            try {
                writeResult(fileName, result);
            } catch (IOException e) {
                throw new IllegalStateException(e);
            }
        });
    }
}

主程序

最后，我们在主程序中将上述组件组合在一起，构建异步数据处理管道。

import java.util.List;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        DataSource dataSource = new DataSource();
        DataProcessor dataProcessor = new DataProcessor();
        ResultWriter resultWriter = new ResultWriter();

        List<Integer> data = dataSource.getData();

        CompletableFuture<List<Integer>> step1Future = dataProcessor.processStep1Async(data);
        CompletableFuture<Integer> step2Future = step1Future.thenCompose(dataProcessor::processStep2Async);
        CompletableFuture<Void> writeFuture = step2Future.thenCompose(result -> resultWriter.writeResultAsync("result.txt", result));

        writeFuture.join();
        System.out.println("Data processing completed");
    }
}

在这个例子中，我们使用 CompletableFuture 将数据处理步骤和结果输出串联在一起，形成了一个完整的异步数据处理管道。

通过 thenCompose 方法，我们将前一个任务的结果传递给下一个异步任务，从而实现了链式调用。

总结

本文深入探讨了 CompletableFuture 的底层原理，展示了其工作机制，并通过多个代码示例说明了如何在实际应用中使用 CompletableFuture。通过理解 CompletableFuture 的异步编程模型、状态管理、任务调度和异常处理机制，我们可以更好地利用这一强大的工具构建高效、非阻塞的 Java 应用程序。

希望这篇文章能够帮助你全面理解 CompletableFuture，并在实际开发中灵活应用。这些仅为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。

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