CompletableFuture实现异步编程

问题

前面我们不止一次提到,用多线程优化性能,其实不过就是将串行操作变成并行操作。如果仔细观察,你还会发现在串行转换成并行的过程中,一定会涉及到异步化,例如下面的示例代码,现在是串行的,为了提升性能,我们得把它们并行化,那具体实施起来该怎么做呢?

//以下两个方法都是耗时操作
doBizA();
doBizB();

还是挺简单的,就像下面代码中这样,创建两个子线程去执行就可以了。你会发现下面的并行方案,主线程无需等待 doBizA() 和 doBizB() 的执行结果,也就是说 doBizA() 和 doBizB() 两个操作已经被异步化了。

new Thread(()->doBizA()).start();
new Thread(()->doBizB()).start();  

异步化,是并行方案得以实施的基础,更深入地讲其实就是:利用多线程优化性能这个核心方案得以实施的基础。看到这里,相信你应该就能理解异步编程最近几年为什么会大火了,因为优化性能是互联网大厂的一个核心需求啊。Java 在 1.8 版本提供了 CompletableFuture 来支持异步编程,CompletableFuture 有可能是你见过的最复杂的工具类了,不过功能也着实让人感到震撼。

CompletableFuture 的核心优势

为了领略 CompletableFuture 异步编程的优势,这里我们用 CompletableFuture 重新实现前面曾提及的烧水泡茶程序。首先还是需要先完成分工方案,在下面的程序中,我们分了 3 个任务:任务 1 负责洗水壶、烧开水,任务 2 负责洗茶壶、洗茶杯和拿茶叶,任务 3 负责泡茶。其中任务 3 要等待任务 1 和任务 2 都完成后才能开始。这个分工如下图所示。
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下面是代码实现,你先略过 runAsync()、supplyAsync()、thenCombine() 这些不太熟悉的方法,从大局上看,你会发现:

  • 无需手工维护线程,没有繁琐的手工维护线程的工作,给任务分配线程的工作也不需要我们关注;
  • 语义更清晰,例如 f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 能够清晰地表述“任务 3 要等待任务 1 和任务 2 都完成后才能开始”;
  • 代码更简练并且专注于业务逻辑,几乎所有代码都是业务逻辑相关的。
//任务1:洗水壶->烧开水
CompletableFuture<Void> f1 = CompletableFuture.runAsync(()->{
  System.out.println("T1:洗水壶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
  System.out.println("T1:烧开水...");
  sleep(15, TimeUnit.SECONDS);
});

//任务2:洗茶壶->洗茶杯->拿茶叶
CompletableFuture<String> f2 = CompletableFuture.supplyAsync(()->{
  System.out.println("T2:洗茶壶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
  System.out.println("T2:洗茶杯...");
  sleep(2, TimeUnit.SECONDS);
  System.out.println("T2:拿茶叶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
  return "龙井";
});

//任务3:任务1和任务2完成后执行:泡茶
CompletableFuture<String> f3 = 
  f1.thenCombine(f2, (__, tf)->{              //__仅作占位符使用
    System.out.println("T1:拿到茶叶:" + tf);
    System.out.println("T1:泡茶...");
    return "上茶:" + tf;
  });

//等待任务3执行结果
System.out.println(f3.join());
void sleep(int t, TimeUnit u) {
  try {
    u.sleep(t);
  }catch(InterruptedException e){}
}

// 一次执行结果:
T1:洗水壶...
T2:洗茶壶...
T1:烧开水...
T2:洗茶杯...
T2:拿茶叶...
T1:拿到茶叶:龙井
T1:泡茶...
上茶:龙井

领略 CompletableFuture 异步编程的优势之后,下面我们详细介绍 CompletableFuture 的使用,首先是如何创建 CompletableFuture 对象。

创建 CompletableFuture 对象

创建 CompletableFuture 对象主要靠下面代码中展示的这 4 个静态方法:

//使用默认线程池
static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable)
static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier)
//可以指定线程池  
static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor)
static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)  

我们先看前两个。在烧水泡茶的例子中,我们已经使用了runAsync(Runnable runnable)supplyAsync(Supplier<U> supplier),它们之间的区别是:Runnable 接口的 run() 方法没有返回值,而 Supplier 接口的 get() 方法是有返回值的。

前两个方法和后两个方法的区别在于:后两个方法可以指定线程池参数。

默认情况下 CompletableFuture 会使用公共的 ForkJoinPool 线程池,这个线程池默认创建的线程数是 CPU 的核数(也可以通过 JVM option:-Djava.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism 来设置 ForkJoinPool 线程池的线程数)。如果所有 CompletableFuture 共享一个线程池,那么一旦有任务执行一些很慢的 I/O 操作,就会导致线程池中所有线程都阻塞在 I/O 操作上,从而造成线程饥饿,进而影响整个系统的性能。所以,强烈建议你要根据不同的业务类型创建不同的线程池,以避免互相干扰。

创建完 CompletableFuture 对象之后,会自动地异步执行 runnable.run() 方法或者 supplier.get() 方法,对于一个异步操作,你需要关注两个问题:一个是异步操作什么时候结束,另一个是如何获取异步操作的执行结果。因为 CompletableFuture 类实现了 Future 接口,所以这两个问题你都可以通过 Future 接口来解决。另外,CompletableFuture 类还实现了 CompletionStage 接口,这个接口内容实在是太丰富了,在 1.8 版本里有 40 个方法,这些方法我们该如何理解呢?

如何理解 CompletionStage 接口

我觉得,你可以站在分工的角度类比一下工作流。任务是有时序关系的,比如有串行关系、并行关系、汇聚关系等。这样说可能有点抽象,这里还举前面烧水泡茶的例子,其中洗水壶和烧开水就是串行关系,洗水壶、烧开水和洗茶壶、洗茶杯这两组任务之间就是并行关系,而烧开水、拿茶叶和泡茶就是汇聚关系。
串行关系
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并行关系
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汇聚关系
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CompletionStage 接口可以清晰地描述任务之间的这种时序关系,例如前面提到的 f3 = f1.thenCombine(f2, ()->{}) 描述的就是一种汇聚关系。烧水泡茶程序中的汇聚关系是一种 AND 聚合关系,这里的 AND 指的是所有依赖的任务(烧开水和拿茶叶)都完成后才开始执行当前任务(泡茶)。既然有 AND 聚合关系,那就一定还有 OR 聚合关系,所谓 OR 指的是依赖的任务只要有一个完成就可以执行当前任务。
在编程领域,还有一个绕不过去的山头,那就是异常处理,CompletionStage 接口也可以方便地描述异常处理。
下面我们就来一一介绍,CompletionStage 接口如何描述串行关系、AND 聚合关系、OR 聚合关系以及异常处理。

描述串行关系

CompletionStage 接口里面描述串行关系,主要是 thenApply、thenAccept、thenRun 和 thenCompose 这四个系列的接口。
thenApply 系列函数里参数 fn 的类型是接口 Function<T, R>,这个接口里与 CompletionStage 相关的方法是 R apply(T t),这个方法既能接收参数也支持返回值,所以 thenApply 系列方法返回的是CompletionStage<R>
thenAccept 系列方法里参数 consumer 的类型是接口Consumer<T>,这个接口里与 CompletionStage 相关的方法是 void accept(T t),这个方法虽然支持参数,但却不支持返回值,所以 thenAccept 系列方法返回的是CompletionStage<Void>
thenRun 系列方法里 action 的参数是 Runnable,所以 action 既不能接收参数也不支持返回值,所以 thenRun 系列方法返回的也是CompletionStage<Void>
这些方法里面 Async 代表的是异步执行 fn、consumer 或者 action。其中,需要你注意的是 thenCompose 系列方法,这个系列的方法会新创建出一个子流程,最终结果和 thenApply 系列是相同的。

CompletionStage<R> thenApply(fn);
CompletionStage<R> thenApplyAsync(fn);
CompletionStage<Void> thenAccept(consumer);
CompletionStage<Void> thenAcceptAsync(consumer);
CompletionStage<Void> thenRun(action);
CompletionStage<Void> thenRunAsync(action);
CompletionStage<R> thenCompose(fn);
CompletionStage<R> thenComposeAsync(fn);

通过下面的示例代码,你可以看一下 thenApply() 方法是如何使用的。首先通过 supplyAsync() 启动一个异步流程,之后是两个串行操作,整体看起来还是挺简单的。不过,虽然这是一个异步流程,但任务①②③却是串行执行的,②依赖①的执行结果,③依赖②的执行结果。

CompletableFuture<String> f0 = 
  CompletableFuture.supplyAsync(
 () -> "Hello World")      //(1)
  .thenApply(s -> s + " QQ")  //(2)
  .thenApply(String::toUpperCase);//(3)

System.out.println(f0.join());
//输出结果
HELLO WORLD QQ

描述 AND 汇聚关系

CompletionStage 接口里面描述 AND 汇聚关系,主要是 thenCombine、thenAcceptBoth 和 runAfterBoth 系列的接口,这些接口的区别也是源自 fn、consumer、action 这三个核心参数不同。它们的使用你可以参考上面烧水泡茶的实现程序,这里就不赘述了。

CompletionStage<R> thenCombine(other, fn);
CompletionStage<R> thenCombineAsync(other, fn);
CompletionStage<Void> thenAcceptBoth(other, consumer);
CompletionStage<Void> thenAcceptBothAsync(other, consumer);
CompletionStage<Void> runAfterBoth(other, action);
CompletionStage<Void> runAfterBothAsync(other, action);

描述 OR 汇聚关系

CompletionStage 接口里面描述 OR 汇聚关系,主要是 applyToEither、acceptEither 和 runAfterEither 系列的接口,这些接口的区别也是源自 fn、consumer、action 这三个核心参数不同。

CompletionStage applyToEither(other, fn);
CompletionStage applyToEitherAsync(other, fn);
CompletionStage acceptEither(other, consumer);
CompletionStage acceptEitherAsync(other, consumer);
CompletionStage runAfterEither(other, action);
CompletionStage runAfterEitherAsync(other, action);

下面的示例代码展示了如何使用 applyToEither() 方法来描述一个 OR 汇聚关系。

CompletableFuture<String> f1 = 
  CompletableFuture.supplyAsync(()->{
 int t = getRandom(5, 10);
 sleep(t, TimeUnit.SECONDS);
 return String.valueOf(t);
});

CompletableFuture<String> f2 = 
  CompletableFuture.supplyAsync(()->{
 int t = getRandom(5, 10);
 sleep(t, TimeUnit.SECONDS);
 return String.valueOf(t);
});

CompletableFuture<String> f3 = 
  f1.applyToEither(f2,s -> s);

System.out.println(f3.join());

异常处理

虽然上面我们提到的 fn、consumer、action 它们的核心方法都不允许抛出可检查异常,但是却无法限制它们抛出运行时异常,例如下面的代码,执行 7/0 就会出现除零错误这个运行时异常。非异步编程里面,我们可以使用 try{}catch{}来捕获并处理异常,那在异步编程里面,异常该如何处理呢?

CompletableFuture<Integer>  f0 = CompletableFuture.supplyAsync(()->(7/0)).thenApply(r->r*10);
System.out.println(f0.join());

CompletionStage 接口给我们提供的方案非常简单,比 try{}catch{}还要简单,下面是相关的方法,使用这些方法进行异常处理和串行操作是一样的,都支持链式编程方式。

CompletionStage exceptionally(fn);
CompletionStage<R> whenComplete(consumer);
CompletionStage<R> whenCompleteAsync(consumer);
CompletionStage<R> handle(fn);
CompletionStage<R> handleAsync(fn);

下面的示例代码展示了如何使用 exceptionally() 方法来处理异常,exceptionally() 的使用非常类似于 try{}catch{}中的 catch{},但是由于支持链式编程方式,所以相对更简单。既然有 try{}catch{},那就一定还有 try{}finally{},whenComplete() 和 handle() 系列方法就类似于 try{}finally{}中的 finally{},无论是否发生异常都会执行 whenComplete() 中的回调函数 consumer 和 handle() 中的回调函数 fn。whenComplete() 和 handle() 的区别在于 whenComplete() 不支持返回结果,而 handle() 是支持返回结果的。

CompletableFuture<Integer> f0 = CompletableFuture.supplyAsync(()->7/0)).thenApply(r->r*10)
 .exceptionally(e->0);
System.out.println(f0.join());

总结

曾经一提到异步编程,大家脑海里都会随之浮现回调函数,例如在 JavaScript 里面异步问题基本上都是靠回调函数来解决的,回调函数在处理异常以及复杂的异步任务关系时往往力不从心,对此业界还发明了个名词:回调地狱(Callback Hell)。应该说在前些年,异步编程还是声名狼藉的。

不过最近几年,伴随着ReactiveX的发展(Java 语言的实现版本是 RxJava),回调地狱已经被完美解决了,异步编程已经慢慢开始成熟,Java 语言也开始官方支持异步编程:在 1.8 版本提供了 CompletableFuture,在 Java 9 版本则提供了更加完备的 Flow API,异步编程目前已经完全工业化。因此,学好异步编程还是很有必要的。
CompletableFuture 已经能够满足简单的异步编程需求,如果你对异步编程感兴趣,可以重点关注 RxJava 这个项目,利用 RxJava,即便在 Java 1.6 版本也能享受异步编程的乐趣。

posted @ 2020-01-29 21:46  被罚站的树  阅读(314)  评论(0编辑  收藏  举报