并发编程的扩展-Future&CompletableFuture｜ 8月更文挑战

Future模式是多线程并发编程的扩展，这种方式支持返回结果，使用get()方法阻塞当前线程。它的核心思想是异步调用，当我们执行某个函数时，它可能很慢，但是我们又不着急要结果。因此，我们可以让它立即返回，让它异步去执行这个请求，当我们需要结果时，阻塞调用线程获取结果。

一个Future<V>接口表示一个未来可能会返回的结果，它定义的方法有：

get()：获取结果（可能会等待）
get(long timeout, TimeUnit unit)：获取结果，但只等待指定的时间；
cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消当前任务；
isDone()：判断任务是否已完成。

商品查询

一个简单的生产实践例子，在维护促销活动时需要查询商品信息（包括商品基本信息、商品价格、商品库存、商品图片、商品销售状态等）。这些信息分布在不同的业务中心，由不同的系统提供服务。假设一个接口需要50ms，那么一个商品查询下来就需要200ms-300ms，这对于我们来说时不满意的。如果使用Future改造则需要的就是最长耗时服务的接口，也就是50ms左右。

Future商品查询.png

当然这里并不能解决的是一个接口服务突然很慢的问题，如果要解决这个问题，需要辅助其他组件（流控，降级等）。伪代码如下：

public class FutureTest {
    static class T1Task implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("T1:查询商品基本信息...");
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);
            return "商品基本信息查询成功";
        }
    }

    static class T2Task implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("T2:查询商品价格...");
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);
            return "商品价格查询成功";
        }
    }

    static class T3Task implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("T3:查询商品库存...");
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);
            return "商品库存查询成功";
        }
    }

    static class T4Task implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("T4:查询商品图片...");
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);
            return "商品图片查询成功";
        }
    }

    static class T5Task implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("T5:查询商品销售状态...");
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);
            return "商品销售状态查询成功";
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        FutureTask<String> ft1 = new FutureTask<>(new T1Task());
        FutureTask<String> ft2 = new FutureTask<>(new T2Task());
        FutureTask<String> ft3 = new FutureTask<>(new T3Task());
        FutureTask<String> ft4 = new FutureTask<>(new T4Task());
        FutureTask<String> ft5 = new FutureTask<>(new T5Task());
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
        executorService.submit(ft1);
        executorService.submit(ft2);
        executorService.submit(ft3);
        executorService.submit(ft4);
        executorService.submit(ft5);
        // 创建阻塞队列
        BlockingQueue<String> bq = new LinkedBlockingQueue<>();
        System.out.println(System.currentTimeMillis());
        executorService.execute(() -> {
            try {
                bq.put(ft1.get());
                bq.put(ft2.get());
                bq.put(ft3.get());
                bq.put(ft4.get());
                bq.put(ft4.get());
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        System.out.println(System.currentTimeMillis());
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(bq.take());
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

工作原理

增强的Future：CompletableFuture

CompletableFuture时Java8新增的一个超大型工具类。它不仅实现了Future接口，还实现了CompletionStage接口，该接口总共拥有40多种方法（为了函数式编程中的流程调用准备的）。

使用Future获得异步执行结果时，要么调用阻塞方法get()，要么轮询看isDone()是否为true，这两种方法都不是很好，因为主线程也会被迫等待。

CompletableFuture针对Future做了改进，可以传入回调对象，当异步任务完成或者发生异常时，自动调用回调对象的回调方法。简单示例：

public class CompletableFutureDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建异步执行任务:
        CompletableFuture<Double> cf = CompletableFuture.supplyAsync(
            CompletableFutureDemo::fetchPrice);
        // 如果执行成功:
        cf.thenAccept((result) -> System.out.println("price: " + result));
        // 如果执行异常:
        cf.exceptionally((e) -> {
            e.printStackTrace();
            return null;
        });
        // 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        Thread.sleep(200);
    }

    static Double fetchPrice() {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        if (Math.random() < 0.3) {
            throw new RuntimeException("fetch price failed!");
        }
        return 5 + Math.random() * 20;
    }
}

创建一个CompletableFuture是通过CompletableFuture.supplyAsync()实现的，它需要一个实现了Supplier接口的对象：

public interface Supplier<T> {
    T get();
}

这里我们用lambda语法简化了一下，直接传入CompletableFutureDemo::fetchPrice，因为CompletableFutureDemo.fetchPrice()静态方法的签名符合Supplier接口的定义（除了方法名外）。

紧接着，CompletableFuture已经被提交给默认的线程池执行了，我们需要定义的是CompletableFuture完成时和异常时需要回调的实例。完成时，CompletableFuture会调用Consumer对象：

public interface Consumer<T> {
    void accept(T t);
}

异常时，CompletableFuture会调用：

public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);
}

可见CompletableFuture的优点是：

异步任务结束时，会自动回调某个对象的方法；
异步任务出错时，会自动回调某个对象的方法；
主线程设置好回调后，不再关心异步任务的执行。

除此之外，CompletableFuture还允许将多个CompletableFuture进行组合。

CompletionStage接口：

描述and汇聚关系：

thenCombine:任务合并，有返回值
thenAccepetBoth:两个任务执行完成后，将结果交给thenAccepetBoth消耗，无返回值。
runAfterBoth:两个任务都执行完成后，执行下一步操作（Runnable）。

描述or汇聚关系

applyToEither:两个任务谁执行的快，就使用那一个结果，有返回值。
acceptEither: 两个任务谁执行的快，就消耗那一个结果，无返回值。
runAfterEither: 任意一个任务执行完成，进行下一步操作(Runnable)。

CompletableFuture类自己也提供了anyOf()和allOf()用于支持多个CompletableFuture并行执行。

重写商品查询

public class CompletableFutureTest {

    public static void main(String[] args) {


        List<String> queryList = Lists.newArrayList("商品基本信息", "商品价格", "商品库存", "商品图片", "商品销售状态");

        List<CompletableFuture<String>> futureList = queryList.stream()
                .map(v -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> doQuery(v)))
                .collect(Collectors.toList());
        
        CompletableFuture<Void> allCompletableFuture = CompletableFuture
                .allOf(futureList.toArray(new CompletableFuture[0]));
        
        List<String> resultList = allCompletableFuture.thenApply(e -> 
                futureList.stream().map(CompletableFuture::join).collect(Collectors.toList())).join();
        System.out.println(resultList);

    }

    private static String doQuery(String type) {
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 省略代码了
        return type + "查询成功";
    }
}

CompletableFuture还有很多花样，毕竟有那么多接口方法，留待读者们自己去尝试吧。感谢阅读！