Java异步编程CompletableFuture(串行,并行,批量执行)

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一、什么是CompletableFuture?

    在Java中CompletableFuture用于异步编程，异步编程是编写非阻塞的代码，运行的任务在一个单独的线程，与主线程隔离，并且会通知主线程它的进度，成功或者失败。在这种方式中，主线程不会被阻塞，不需要一直等到子线程完成。主线程可以并行的执行其他任务。 使用这种并行方式，可以极大的提高程序的性能。

CompletableFuture 是 Java 8 引入的一个类，用于简化异步编程模型。它是 Future 接口的一个增强版本，提供了更加丰富的功能和更灵活的用法

   CompletableFuture是一个Java库中的类，用于处理异步编程。它提供了一种简化异步操作的方式，可以更方便地编写异步代码，并处理异步任务的结果。

   使用CompletableFuture可以简化异步编程的复杂性，并提供更灵活和强大的功能。它是Java 8中新增的功能之一，为开发者提供了更好的异步编程体验。

CompletableFuture可以用于以下几种情况：

• 异步执行任务：可以使用CompletableFuture来执行一个耗时的任务，而不会阻塞主线程。

• 组合多个异步任务的结果：可以将多个CompletableFuture串联起来，以便在它们都完成后执行一些操作。

• 处理异常情况：可以使用CompletableFuture来处理异步任务中可能出现的异常情况。

• 并发执行多个任务 ：可以使用CompletableFuture来同时执行多个任务，并等待它们全部完成。

二、CompletableFuture的结构

CompletableFuture它同时实现了Future和CompletionStage两个接口。

• Future : 它代表一个异步计算的结果。它可以用于提交一个任务并在未来的某个时间获取它的结果。Future提供了一些方法来检查任务的完成状态、取消任务以及获取任务的结果。
• CompletionStage : CompletionStage是Java 8引入的一个接口，它扩展了Future的功能，并提供了更强大的异步编程支持。它表示一个异步计算的阶段，可以将多个阶段链接在一起形成一个复杂的异步计算流水线。CompletionStage提供了一系列方法来描述和组合异步计算的各个阶段，例如thenApply、thenCompose、thenCombine等
• CompletableFuture : 是Java 8中新增加的一个类，它实现了Future和CompletionStage两个接口。CompletableFuture提供了更加灵活和强大的异步编程模型，可以用于处理复杂的异步计算场景。它提供了丰富的方法来处理异步计算的结果、执行转换操作、组合多个异步计算等。通过CompletableFuture，我们可以更加方便地编写异步代码，实现更高效的并发编程。

三、基础方法介绍

因为方法非常多,这里我对常用的进行介绍

3.1 get() 、join()、isDone方法介绍

• get() 和 join() 都会等待异步操作完成并返回结果，但 get() 在等待期间线程被中断时会抛出异常，而 join() 不会。
• isDone() 用于检查异步操作是否完成，而不等待操作完成，适用于非阻塞的轮询场景。

3.2 使用 runAsync() 开启一个子线程去执行无结果

// Using Lambda Expression
CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {throw new IllegalStateException(e);}System.out.println("I'll run in a separate thread than the main thread.");
});

3.3 使用 supplyAsync() 开启一个子线程去执行有返回结果

// Using Lambda Expression
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {throw new IllegalStateException(e);}return "Result of the asynchronous computation";
});System.out.println("结果 : "+future.get());

3.4 CompletableFuture API 的所有方法都有两个重载的方法一个接受Executor线程池

static CompletableFuture<Void>  runAsync(Runnable runnable)
static CompletableFuture<Void>  runAsync(Runnable runnable, Executor executor)
static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier)
static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

你可能想知道，runAsync() 和supplyAsync()方法在单独的线程中执行他们的任务。但是我们不会永远只创建一个线程。CompletableFuture可以从全局的ForkJoinPool.commonPool()获得一个线程中执行这些任务。但是你也可以创建一个线程池并传给runAsync() 和supplyAsync()方法来让他们从线程池中获取一个线程执行它们的任务。

这里使用了简单的线程池创建

Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {throw new IllegalStateException(e);}return "Result of the asynchronous computation";
}, executor);

3.4.1 线程池工具类

可以注入线程池,进行传递给runAsync() 和supplyAsync()方法来让他们从线程池中获取一个线程执行它们的任务

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.scheduling.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor;import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;@Configuration
public class MongoThreadPoolConfig {//参数初始化private static final int CPU_COUNT = Runtime.getRuntime().availableProcessors();//核心线程数量大小private static final int corePoolSize = Math.max(2, Math.min(CPU_COUNT - 1, 4));//线程池最大容纳线程数private static final int maxPoolSize = CPU_COUNT * 2 + 1;//阻塞队列private static final int workQueue = 20;//线程空闲后的存活时长private static final int keepAliveTime = 30;@Bean("asyncTaskExecutor")public ThreadPoolTaskExecutor getAsyncExecutor() {ThreadPoolTaskExecutor threadPoolTaskExecutor = new ThreadPoolTaskExecutor();//核心线程数threadPoolTaskExecutor.setCorePoolSize(corePoolSize);//最大线程数threadPoolTaskExecutor.setMaxPoolSize(maxPoolSize);//等待队列threadPoolTaskExecutor.setQueueCapacity(workQueue);//线程前缀threadPoolTaskExecutor.setThreadNamePrefix("taskExecutor-");//线程池维护线程所允许的空闲时间,单位为秒threadPoolTaskExecutor.setKeepAliveSeconds(keepAliveTime);// 线程池对拒绝任务(无线程可用)的处理策略threadPoolTaskExecutor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());threadPoolTaskExecutor.initialize();return threadPoolTaskExecutor;}
}

四、CompletableFuture常用方法介绍

消息打印小工具类(用不用都行)

主要观察和学习CompletableFuture方法

import java.util.StringJoiner;
/*** 小工具*/
@Slf4j
public class SmallTool {/** * 睡眠*/ public static void sleepMillis(long millis) {try {Thread.sleep(millis);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}/** * 打印 message*/ public static void printTimeAndThread(String tag) {String result = new StringJoiner("\t|\t").add(String.valueOf(System.currentTimeMillis())).add(String.valueOf(Thread.currentThread().getId())).add(Thread.currentThread().getName()).add(tag).toString();System.out.println(result);}
}

4.1 串行

4.1.1 前一个返回有结果再执行下一个 thenCompose 、 thenApply()、thenApplyAsync、 thenAccept() 、thenRun()

作用都是使得一个阶段的结果可以作为下一个阶段的输入

尽管它们的目标相同，但它们在使用方式和功能上有一些区别。

• thenCompose()和thenApply()方法用于将前一个阶段的结果与下一个阶段进行组合
• thenApplyAsync()方法在此基础上实现异步执行
• thenAccept()方法用于处理前一个阶段的结果而不需要返回值
• thenRun()方法用于在前一个阶段完成后执行一些操作

不同的方法适用于不同的场景，可以根据实际需求选择合适的方法来组合异步计算。

    public static void main(String[] args) {SmallTool.printTimeAndThread("小白进入餐厅");SmallTool.printTimeAndThread("小白点了 番茄炒蛋 + 一碗米饭");CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {SmallTool.printTimeAndThread("厨师炒菜");SmallTool.sleepMillis(200);return "番茄炒蛋";}).thenCompose(dish -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> {SmallTool.printTimeAndThread("服务员打饭");SmallTool.sleepMillis(100);return dish + " + 米饭";}));SmallTool.printTimeAndThread("小白在打王者");SmallTool.printTimeAndThread(String.format("%s 好了,小白开吃", cf1.join()));}

类似

4.2 并行

4.2.1两个同时执行,等待结果一起返回thenCombine()

    public static void main(String[] args) {SmallTool.printTimeAndThread("小白进入餐厅");SmallTool.printTimeAndThread("小白点了 番茄炒蛋 + 一碗米饭");CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {SmallTool.printTimeAndThread("厨师炒菜");SmallTool.sleepMillis(200);return "番茄炒蛋";}).thenCombine(CompletableFuture.supplyAsync(() -> {SmallTool.printTimeAndThread("服务员蒸饭");SmallTool.sleepMillis(300);return "米饭";}), (dish, rice) -> {SmallTool.printTimeAndThread("服务员打饭");SmallTool.sleepMillis(100);return String.format("%s + %s 好了", dish, rice);});SmallTool.printTimeAndThread("小白在打王者");SmallTool.printTimeAndThread(String.format("%s ,小白开吃", cf1.join()));}

4.2.2 两个任务都完成了,不关注执行结果的进行下一步操作runAfterBoth/runAfterBothAsync

 public static void main(String[] args) {SmallTool.printTimeAndThread("小白进入餐厅");SmallTool.printTimeAndThread("小白点了 番茄炒蛋 + 一碗米饭");CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {SmallTool.printTimeAndThread("厨师炒菜");SmallTool.sleepMillis(200);return "番茄炒蛋";});cf1.runAfterBoth(CompletableFuture.supplyAsync(() -> {SmallTool.printTimeAndThread("服务员蒸饭");SmallTool.sleepMillis(300);return "米饭";}), () -> {SmallTool.printTimeAndThread("厨师和服务员都执行完了");}).join();SmallTool.printTimeAndThread("结束");}

4.2.3 两个任务并行进行用快的那个的结果作为后续处理applyToEither\applyToEitherAsync

    public static void main(String[] args) {SmallTool.printTimeAndThread("张三走出餐厅，来到公交站");SmallTool.printTimeAndThread("等待 700路 或者 800路 公交到来");CompletableFuture<String> bus = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {SmallTool.printTimeAndThread("700路公交正在赶来");SmallTool.sleepMillis(1);return "700路到了";}).applyToEither(CompletableFuture.supplyAsync(() -> {SmallTool.printTimeAndThread("800路公交正在赶来");SmallTool.sleepMillis(3);return "800路到了";}), firstComeBus -> firstComeBus);SmallTool.printTimeAndThread(String.format("%s,小白坐车回家", bus.join()));}

4.3 异常处理

如果在原始的supplyAsync()任务中发生一个错误，这时候没有任何thenApply()会被调用并且future将以一个异常结束。如果在第一个thenApply发生错误，这时候第二个和第三个将不会被调用，同样的，future将以异常结束。

4.3.1 使用 exceptionally() 回调处理异常

• exceptionally()当前一个阶段的计算出现异常时，会执行该函数，并将异常作为输入参数。你可以在这里记录这个异常并返回一个默认值。

public static void main(String[] args) {SmallTool.printTimeAndThread("张三走出餐厅，来到公交站");SmallTool.printTimeAndThread("等待 700路 或者 800路 公交到来");CompletableFuture<String> bus = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {SmallTool.printTimeAndThread("700路公交正在赶来");SmallTool.sleepMillis(100);return "700路到了";}).applyToEither(CompletableFuture.supplyAsync(() -> {SmallTool.printTimeAndThread("800路公交正在赶来");SmallTool.sleepMillis(200);return "800路到了";}), firstComeBus -> {SmallTool.printTimeAndThread(firstComeBus);if (firstComeBus.startsWith("700")) {throw new RuntimeException("撞树了……");}return firstComeBus;}).exceptionally(e -> {SmallTool.printTimeAndThread(e.getMessage());SmallTool.printTimeAndThread("小白叫出租车");return "出租车 叫到了";});SmallTool.printTimeAndThread(String.format("%s,小白坐车回家", bus.join()));}

如果上方不好理解,可以看下面方法

public static void main(String[] args) {Integer age = -1;CompletableFuture<String> maturityFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {if(age < 0) {throw new IllegalArgumentException("Age can not be negative");}if(age > 18) {return "Adult";} else {return "Child";}}).exceptionally(ex -> {System.out.println("Oops! We have an exception - " + ex.getMessage());return "Unknown!";});System.out.println("Maturity : " + maturityFuture.get()); 
}

4.3.2 使用 handle() 方法处理异常

API提供了一个更通用的方法 - handle()从异常恢复，无论一个异常是否发生它都会被调用。

public static void main(String[] args) {Integer age = -1;CompletableFuture<String> maturityFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {if(age < 0) {throw new IllegalArgumentException("Age can not be negative");}if(age > 18) {return "Adult";} else {return "Child";}}).handle((res, ex) -> {if(ex != null) {System.out.println("Oops! We have an exception - " + ex.getMessage());return "Unknown!";}return res;});System.out.println("Maturity : " + maturityFuture.get());
}

4.3.3 使用 whenComplete()/whenCompleteAsync() 方法处理异常

whenComplete()和handle()方法在功能上确实有一些相似之处。它们都可以在异步计算完成后执行一些操作，并且都可以处理结果或异常。

区别:

• whenComplete()主要用于执行副作用操作，没有返回值；
• handle()主要用于处理结果和异常，并返回一个新的结果

根据具体需求，可以选择使用不同的方法来满足需求。

参考:

	//有异常时执行exceptionally()CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println("执行自己的操作"), asyncTaskExecutor).exceptionally(e -> {log.info("获取浙农码失败{}", e.getMessage());return null;});//需要返回值CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println("执行自己的操作"), asyncTaskExecutor).handle((result,ex) -> {if (ex != null) log.info("品种推荐同步执行失败", ex);return result;});//没有返回值CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println("执行自己的操作"), asyncTaskExecutor).whenComplete((result,ex) -> {if (ex != null) log.info("品种推荐同步执行失败", ex);});

4.4 批量执行(组合多个CompletableFuture)

• 我们使用thenCompose() 和 thenCombine()把两个CompletableFuture组合在一起。现在如果你想组合任意数量的CompletableFuture，应该怎么做？我们可以使用以下两个方法组合任意数量的CompletableFuture。

  static CompletableFuture<Void> allOf(CompletableFuture<?>... cfs)
  static CompletableFuture<Object> anyOf(CompletableFuture<?>... cfs)
  

区别

• CompletableFuture.allOf()返回一个CompletableFuture<Void>对象，表示所有传入的CompletableFuture都已经完成。
• completableFuture.anyOf()返回一个CompletableFuture<Object>对象，表示任意一个传入的CompletableFuture对象已经完成。

4.4.1 CompletableFuture.allOf()

所有传入的CompletableFuture都已经完成

案例中你只需关注allOf()方法的使用就可以了

没有返回值

    public static void main(String[] args) {SmallTool.printTimeAndThread("小白和小伙伴们 进餐厅点菜");// 点菜ArrayList<Dish> dishes = new ArrayList<>();for (int i = 1; i <= 12; i++) {Dish dish = new Dish("菜" + i, 1);dishes.add(dish);}// 做菜ArrayList<CompletableFuture> cfList = new ArrayList<>();for (Dish dish : dishes) {CompletableFuture<Void> cf = CompletableFuture.runAsync(() -> dish.make());cfList.add(cf);}// 等待所有任务执行完毕CompletableFuture.allOf(cfList.toArray(new CompletableFuture[cfList.size()])).join();}

使用Lambda表达式(和上面逻辑一样)

 public static void main(String[] args) {SmallTool.printTimeAndThread("小白和小伙伴们 进餐厅点菜");CompletableFuture[] dishes = IntStream.rangeClosed(1, 12).mapToObj(i -> new Dish("菜" + i, 1)).map(dish -> CompletableFuture.runAsync(dish::make)).toArray(size -> new CompletableFuture[size]);CompletableFuture.allOf(dishes).join();}

• 使用IntStream.rangeClosed(1, 12)创建了一个整数流，表示1到12之间的数字
• 使用mapToObj方法将每个数字转换为一个Dish对象。这里使用了一个自定义的Dish类，表示一个菜品，其中包含菜品名称和制作所需时间
• 使用map方法将每个Dish对象转换为一个CompletableFuture对象。这里使用了CompletableFuture.runAsync方法，该方法会接收一个Runnable参数，并在后台线程中异步执行Runnable的任务。这里使用了方法引用dish::make，表示异步执行Dish对象的make方法。
• 最后，使用toArray方法将生成的CompletableFuture对象存储在一个CompletableFuture数组中。该数组将用于后续操作。

有返回值

  @Slf4j
public class OrderJob  {@Autowiredprivate businessServie businessServie;@Resource(name ="asyncTaskExecutor")private ThreadPoolTaskExecutor asyncTaskExecutor;public void execute() {//1.从表中查询出1000条订单数据处理List<Order> orderList = businessServie.selectList();//每条子线程处理数据的数量int perCount = 100;//拆分集合,每个100List<List<Order>> partitions = Lists.partition(orderList, perCount);log.info("批量处理多线程开始,本次处理的订单数量:{}",orderList.size());log.info("多线程数量:{}",partitions.size());List<CompletableFuture> futures = Lists.newArrayList();for(List<Order> dataList : partitions){List<Order> finalDataList = dataList;CompletableFuture<List<Order>> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> createOrder(finalDataList),asyncTaskExecutor);futures.add(future);}//等待所有线程执行完成CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[futures.size()])).join();//获取线程返回结果,封装集合List<Order> updateList = new ArrayList<>();futures.stream().forEach(future->{try {List<Order> list = (List<Order>) future.get();if(CollectionUtils.isNotEmpty(list)){updateList.addAll(list);}}catch (Exception e){log.error("获取多线程返回结果数据异常",e);}});businessServie.updateBatchList(updateList);}
}

4.4.2 CompletableFuture.anyOf()

任意一个传入的CompletableFuture对象已经完成

//调用5次同时执行,等待最快返回的结果List<CompletableFuture<String>> futures = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < 5; i++) {int finalI = i;CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {String result = HttpRequest.post(urlRequestId).body(JSON.toJSONString(body)).headerMap(header, true).timeout(3000).execute().body();log.info("获取第三方接口信息");return result;});futures.add(future);}// 等待任意一个CompletableFuture完成CompletableFuture<Object> anyFuture = CompletableFuture.anyOf(futures.toArray(new CompletableFuture[futures.size()]));String join = (String) anyFuture.join();

这里也可以设置等待时间

等待任意一个CompletableFuture完成，最多等待5秒,如果在指定的时间内没有得到结果，就会抛出TimeoutException异常。

try {String join = (String) anyFuture.get(5, TimeUnit.SECONDS);// 处理获取到的结果
} catch (TimeoutException e) {// 处理超时异常System.out.println("获取结果超时");// 其他操作
}