Java CompletableFuture 详解
来源:互联网 发布:淘宝卖家的信誉等级 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 15:41
出处:
http://colobu.com/2016/02/29/Java-CompletableFuture/
Future是Java 5添加的类,用来描述一个异步计算的结果。你可以使用isDone方法检查计算是否完成,或者使用get阻塞住调用线程,直到计算完成返回结果,你也可以使用cancel方法停止任务的执行。
虽然Future以及相关使用方法提供了异步执行任务的能力,但是对于结果的获取却是很不方便,只能通过阻塞或者轮询的方式得到任务的结果。阻塞的方式显然和我们的异步编程的初衷相违背,轮询的方式又会耗费无谓的CPU资源,而且也不能及时地得到计算结果,为什么不能用观察者设计模式当计算结果完成及时通知监听者呢?
在Java 8中, 新增加了一个包含50个方法左右的类: CompletableFuture,提供了非常强大的Future的扩展功能,可以帮助我们简化异步编程的复杂性,提供了函数式编程的能力,可以通过回调的方式处理计算结果,并且提供了转换和组合CompletableFuture的方法。
主动完成计算
CompletableFuture类实现了CompletionStage和Future接口,所以你还是可以像以前一样通过阻塞或者轮询的方式获得结果,尽管这种方式不推荐使用。
public T get()public T get(long timeout, TimeUnit unit)public T getNow(T valueIfAbsent)public T join()
getNow有点特殊,如果结果已经计算完则返回结果或者抛出异常,否则返回给定的valueIfAbsent值。
join返回计算的结果或者抛出一个unchecked异常(CompletionException),它和get对抛出的异常的处理有些细微的区别,你可以运行下面的代码进行比较:
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { int i = 1/0; return 100;});//future.join();future.get();
尽管Future可以代表在另外的线程中执行的一段异步代码,但是你还是可以在本身线程中执行:
public static CompletableFuture<Integer> compute() { final CompletableFuture<Integer> future = new CompletableFuture<>(); return future;}
上面的代码中future没有关联任何的Callback、线程池、异步任务等,如果客户端调用future.get就会一致傻等下去。你可以通过下面的代码完成一个计算,触发客户端的等待:
f.complete(100);
当然你也可以抛出一个异常,而不是一个成功的计算结果:
f.completeExceptionally(new Exception());
完整的代码如下:
public class BasicMain { public static CompletableFuture<Integer> compute() { final CompletableFuture<Integer> future = new CompletableFuture<>(); return future; } public static void main(String[] args) throws Exception { final CompletableFuture<Integer> f = compute(); class Client extends Thread { CompletableFuture<Integer> f; Client(String threadName, CompletableFuture<Integer> f) { super(threadName); this.f = f; } @Override public void run() { try { System.out.println(this.getName() + ": " + f.get()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (ExecutionException e) { e.printStackTrace(); } } } new Client("Client1", f).start(); new Client("Client2", f).start(); System.out.println("waiting"); f.complete(100); //f.completeExceptionally(new Exception()); System.in.read(); }}
结果:
waitingClient2: 100Client1: 100
可以看到我们并没有把f.complete(100);放在另外的线程中去执行,但是在大部分情况下我们可能会用一个线程池去执行这些异步任务。
CompletableFuture.complete()、CompletableFuture.completeExceptionally只能被调用一次。但是我们有两个后门方法可以重设这个值:obtrudeValue、obtrudeException,但是使用的时候要小心,因为complete已经触发了客户端,有可能导致客户端会得到不期望的结果。
创建CompletableFuture对象
CompletableFuture.completedFuture是一个静态辅助方法,用来返回一个已经计算好的CompletableFuture。
public static <U> CompletableFuture<U> completedFuture(U value)
而以下四个静态方法用来为一段异步执行的代码创建CompletableFuture对象:
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable)public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor)public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier)public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)
以Async结尾并且没有指定Executor的方法会使用ForkJoinPool.commonPool()作为它的线程池执行异步代码。
runAsync方法也好理解,它以Runnable函数式接口类型为参数,所以CompletableFuture的计算结果为空。
supplyAsync方法以Supplier函数式接口类型为参数,CompletableFuture的计算结果类型为U。
因为方法的参数类型都是函数式接口,所以可以使用lambda表达式实现异步任务,比如:
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { //长时间的计算任务 return "·00";});
计算结果完成时的处理
当CompletableFuture的计算结果完成,或者抛出异常的时候,我们可以执行特定的Action。主要是下面的方法:
public CompletableFuture<T> whenComplete(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action)public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action)public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action, Executor executor)public CompletableFuture<T> exceptionally(Function<Throwable,? extends T> fn)
可以看到Action的类型是BiConsumer
public class Main { private static Random rand = new Random(); private static long t = System.currentTimeMillis(); static int getMoreData() { System.out.println("begin to start compute"); try { Thread.sleep(10000); } catch (InterruptedException e) { throw new RuntimeException(e); } System.out.println("end to start compute. passed " + (System.currentTimeMillis() - t)/1000 + " seconds"); return rand.nextInt(1000); } public static void main(String[] args) throws Exception { CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(Main::getMoreData); Future<Integer> f = future.whenComplete((v, e) -> { System.out.println("v: "+v); System.out.println("e: "+e); }); System.out.println(f.get()); System.in.read(); }}
运行结果:
begin to start computeend to start compute. passed 10 secondsv: 354e: null354
exceptionally方法返回一个新的CompletableFuture,当原始的CompletableFuture抛出异常的时候,就会触发这个CompletableFuture的计算,调用function计算值,否则如果原始的CompletableFuture正常计算完后,这个新的CompletableFuture也计算完成,它的值和原始的CompletableFuture的计算的值相同。也就是这个exceptionally方法用来处理异常的情况。
下面一组方法虽然也返回CompletableFuture对象,但是对象的值和原来的CompletableFuture计算的值不同。当原先的CompletableFuture的值计算完成或者抛出异常的时候,会触发这个CompletableFuture对象的计算,结果由BiFunction参数计算而得。因此这组方法兼有whenComplete和转换的两个功能。
public <U> CompletableFuture<U> handle(BiFunction<? super T,Throwable,? extends U> fn)public <U> CompletableFuture<U> handleAsync(BiFunction<? super T,Throwable,? extends U> fn)public <U> CompletableFuture<U> handleAsync(BiFunction<? super T,Throwable,? extends U> fn, Executor executor)
同样,不以Async结尾的方法由原来的线程计算,以Async结尾的方法由默认的线程池ForkJoinPool.commonPool()或者指定的线程池executor运行。
转换
CompletableFuture可以作为monad(单子)和functor。由于回调风格的实现,我们不必因为等待一个计算完成而阻塞着调用线程,而是告诉CompletableFuture当计算完成的时候请执行某个function。而且我们还可以将这些操作串联起来,或者将CompletableFuture组合起来。
public <U> CompletableFuture<U> thenApply(Function<? super T,? extends U> fn)public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn)public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn, Executor executor)//这一组函数的功能是当原来的CompletableFuture计算完后,将结果传递给函数fn,将fn的结果作为新的CompletableFuture计算结果。因此它的功能相当于将CompletableFuture<T>转换成CompletableFuture<U>。
这三个函数的区别和上面介绍的一样,不以Async结尾的方法由原来的线程计算,以Async结尾的方法由默认的线程池ForkJoinPool.commonPool()或者指定的线程池executor运行。Java的CompletableFuture类总是遵循这样的原则,下面就不一一赘述了。
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<String> f = future.thenApplyAsync(i -> i * 10).thenApply(i -> i.toString());System.out.println(f.get()); //"1000"
需要注意的是,这些转换并不是马上执行的,也不会阻塞,而是在前一个stage完成后继续执行。
它们与handle方法的区别在于handle方法会处理正常计算值和异常,因此它可以屏蔽异常,避免异常继续抛出。而thenApply方法只是用来处理正常值,因此一旦有异常就会抛出。
纯消费(执行Action)
上面的方法是当计算完成的时候,会生成新的计算结果(thenApply, handle),或者返回同样的计算结果whenComplete,CompletableFuture还提供了一种处理结果的方法,只对结果执行Action,而不返回新的计算值,因此计算值为Void:
public CompletableFuture<Void> thenAccept(Consumer<? super T> action)public CompletableFuture<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action)public CompletableFuture<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action, Executor executor)
看它的参数类型也就明白了,它们是函数式接口Consumer,这个接口只有输入,没有返回值。
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<Void> f = future.thenAccept(System.out::println);System.out.println(f.get());
thenAcceptBoth以及相关方法提供了类似的功能,当两个CompletionStage都正常完成计算的时候,就会执行提供的action,它用来组合另外一个异步的结果。
runAfterBoth是当两个CompletionStage都正常完成计算的时候,执行一个Runnable,这个Runnable并不使用计算的结果。
public <U> CompletableFuture<Void> thenAcceptBoth(CompletionStage<? extends U> other, BiConsumer<? super T,? super U> action)public <U> CompletableFuture<Void> thenAcceptBothAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiConsumer<? super T,? super U> action)public <U> CompletableFuture<Void> thenAcceptBothAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiConsumer<? super T,? super U> action, Executor executor)public CompletableFuture<Void> runAfterBoth(CompletionStage<?> other, Runnable action)
例子如下:
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<Void> f = future.thenAcceptBoth(CompletableFuture.completedFuture(10), (x, y) -> System.out.println(x * y));System.out.println(f.get());
更彻底地,下面一组方法当计算完成的时候会执行一个Runnable,与thenAccept不同,Runnable并不使用CompletableFuture计算的结果。
public CompletableFuture<Void> thenRun(Runnable action)public CompletableFuture<Void> thenRunAsync(Runnable action)public CompletableFuture<Void> thenRunAsync(Runnable action, Executor executor
因此先前的CompletableFuture计算的结果被忽略了,这个方法返回CompletableFuture类型的对象。
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<Void> f = future.thenRun(() -> System.out.println("finished"));System.out.println(f.get());
因此,你可以根据方法的参数的类型来加速你的记忆。Runnable类型的参数会忽略计算的结果,Consumer是纯消费计算结果,BiConsumer会组合另外一个CompletionStage纯消费,Function会对计算结果做转换,BiFunction会组合另外一个CompletionStage的计算结果做转换。
组合
public <U> CompletableFuture<U> thenCompose(Function<? super T,? extends CompletionStage<U>> fn)public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(Function<? super T,? extends CompletionStage<U>> fn)public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(Function<? super T,? extends CompletionStage<U>> fn, Executor executor
这一组方法接受一个Function作为参数,这个Function的输入是当前的CompletableFuture的计算值,返回结果将是一个新的CompletableFuture,这个新的CompletableFuture会组合原来的CompletableFuture和函数返回的CompletableFuture。因此它的功能类似:
A +--> B +---> C
记住,thenCompose返回的对象并不一是函数fn返回的对象,如果原来的CompletableFuture还没有计算出来,它就会生成一个新的组合后的CompletableFuture。
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<String> f = future.thenCompose( i -> { return CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return (i * 10) + ""; });});System.out.println(f.get()); //1000
而下面的一组方法thenCombine用来复合另外一个CompletionStage的结果。它的功能类似:
A + | +------> C +------^B +
两个CompletionStage是并行执行的,它们之间并没有先后依赖顺序,other并不会等待先前的CompletableFuture执行完毕后再执行。
public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombine(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn)public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn)public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn, Executor executor)
其实从功能上来讲,它们的功能更类似thenAcceptBoth,只不过thenAcceptBoth是纯消费,它的函数参数没有返回值,而thenCombine的函数参数fn有返回值。
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return 100;});CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return "abc";});CompletableFuture<String> f = future.thenCombine(future2, (x,y) -> y + "-" + x);System.out.println(f.get()); //abc-100
Either
thenAcceptBoth和runAfterBoth是当两个CompletableFuture都计算完成,而我们下面要了解的方法是当任意一个CompletableFuture计算完成的时候就会执行
public CompletableFuture<Void> acceptEither(CompletionStage<? extends T> other, Consumer<? super T> action)public CompletableFuture<Void> acceptEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other, Consumer<? super T> action)public CompletableFuture<Void> acceptEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other, Consumer<? super T> action, Executor executor)public <U> CompletableFuture<U> applyToEither(CompletionStage<? extends T> other, Function<? super T,U> fn)public <U> CompletableFuture<U> applyToEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other, Function<? super T,U> fn)public <U> CompletableFuture<U> applyToEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other, Function<? super T,U> fn, Executor executor)
acceptEither方法是当任意一个CompletionStage完成的时候,action这个消费者就会被执行。这个方法返回CompletableFuture
applyToEither方法是当任意一个CompletionStage完成的时候,fn会被执行,它的返回值会当作新的CompletableFuture的计算结果。
下面这个例子有时会输出100,有时候会输出200,哪个Future先完成就会根据它的结果计算。
Random rand = new Random();CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(10000 + rand.nextInt(1000)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return 100;});CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(10000 + rand.nextInt(1000)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return 200;});CompletableFuture<String> f = future.applyToEither(future2,i -> i.toString());
辅助方法 allOf 和 anyOf
前面我们已经介绍了几个静态方法:completedFuture、runAsync、supplyAsync,下面介绍的这两个方法用来组合多个CompletableFuture。
public static CompletableFuture<Void> allOf(CompletableFuture<?>... cfs)public static CompletableFuture<Object> anyOf(CompletableFuture<?>... cfs)
allOf方法是当所有的CompletableFuture都执行完后执行计算。
anyOf方法是当任意一个CompletableFuture执行完后就会执行计算,计算的结果相同。
下面的代码运行结果有时是100,有时是”abc”。但是anyOf和applyToEither不同。anyOf接受任意多的CompletableFuture但是applyToEither只是判断两个CompletableFuture,anyOf返回值的计算结果是参数中其中一个CompletableFuture的计算结果,applyToEither返回值的计算结果却是要经过fn处理的。当然还有静态方法的区别,线程池的选择等。
Random rand = new Random();CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(10000 + rand.nextInt(1000)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return 100;});CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { Thread.sleep(10000 + rand.nextInt(1000)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "abc";});//CompletableFuture<Void> f = CompletableFuture.allOf(future1,future2);CompletableFuture<Object> f = CompletableFuture.anyOf(future1,future2);System.out.println(f.get());
我想通过上面的介绍,应该把CompletableFuture的方法和功能介绍完了(cancel、isCompletedExceptionally()、isDone()以及继承于Object的方法无需介绍了, toCompletableFuture()返回CompletableFuture本身),希望你能全面了解CompletableFuture强大的功能,并将它应用到Java的异步编程中。如果你有使用它的开源项目,可以留言分享一下。
更进一步
如果你用过Guava的Future类,你就会知道它的Futures辅助类提供了很多便利方法,用来处理多个Future,而不像Java的CompletableFuture,只提供了allOf、anyOf两个方法。 比如有这样一个需求,将多个CompletableFuture组合成一个CompletableFuture,这个组合后的CompletableFuture的计算结果是个List,它包含前面所有的CompletableFuture的计算结果,guava的Futures.allAsList可以实现这样的功能,但是对于java CompletableFuture,我们需要一些辅助方法:
public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequence(List<CompletableFuture<T>> futures) { CompletableFuture<Void> allDoneFuture = CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[futures.size()])); return allDoneFuture.thenApply(v -> futures.stream().map(CompletableFuture::join).collect(Collectors.<T>toList())); }public static <T> CompletableFuture<Stream<T>> sequence(Stream<CompletableFuture<T>> futures) { List<CompletableFuture<T>> futureList = futures.filter(f -> f != null).collect(Collectors.toList()); return sequence(futureList); }
或者Java Future转CompletableFuture:
public static <T> CompletableFuture<T> toCompletable(Future<T> future, Executor executor) { return CompletableFuture.supplyAsync(() -> { try { return future.get(); } catch (InterruptedException | ExecutionException e) { throw new RuntimeException(e); } }, executor);}
github有多个项目可以实现Java CompletableFuture与其它Future (如Guava ListenableFuture)之间的转换,如spotify/futures-extra、future-converter、scala/scala-java8-compat 等。
参考文档
Java 8: Definitive guide to CompletableFuture
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/CompletableFuture.html
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/CompletionStage.html
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