24 | CompletableFuture：异步编程没那么难

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。

烧水泡茶分工方案

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：

1. 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；

2. 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”；

3. 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)->{
        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，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)和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。

//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)

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

并行关系

汇聚关系

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。

1. 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>。

而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

2. 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);

3. 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());

4. 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。

课后思考

创建采购订单的时候，需要校验一些规则，例如最大金额是和采购员级别相关的。有同学利用CompletableFuture实现了这个校验的功能，逻辑很简单，首先是从数据库中把相关规则查出来，然后执行规则校验。你觉得他的实现是否有问题呢？

//采购订单
    PurchersOrder po;
    CompletableFuture<Boolean> cf = 
      CompletableFuture.supplyAsync(()->{
        //在数据库中查询规则
        return findRuleByJdbc();
      }).thenApply(r -> {
        //规则校验
        return check(po, r);
    });
    Boolean isOk = cf.join();

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