【JUC】Future + CompletableFuture详解

1. Future接口

1.1 Future 的理论知识

Future接口（实现类：FutureTask）定义了操作异步任务执行一些方法，如获取异步任务的执行结果、取消异步任务的执行、判断任务是否被取消、判断任务执行是否完毕等。

举例：比如主线程让一个子线程去执行任务，子线程可能比较耗时，启动子线程开始执行任务后，主线程就去做其他事情了，忙完其他事情或者先执行完，过了一会再才去获取子任务的执行结果或变更的任务状态（老师上课时间想喝水，他继续讲课不结束上课这个主线程，让学生去小卖部帮老师买水完成这个耗时和费力的任务）。

public interface Future<V> {
//取消异步任务的执行
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
//判断异步任务是否被取消
boolean isCancelled();
//判断任务是否被执行完毕
boolean isDone();
//获取到异步任务的结果
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
//只在timeout时间内等待获取异步任务的结果
V get(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

1.2 Future接口的三个特点

1. 多线程
2. 有返回值
3. 异步任务

1.3 关于Future存在的问题

• 现在 Thread (Runnable target，String name ) 可以满足特点1
• 有返回值则要使用callable，但是初始化Thread不可以传参Callable，只能传参Runnable
• 异步任务则需要实现future接口

1.4 Future的架构

这里要通过Future的架构来理解Future是如何解决这些问题的

• FutureTask作为Future的实现类，继承了RunnableFuture接口，而RunnableFuture接口又继承了Future和Runnable接口;在FutureTask，即Future的落地实现类中，重写了run（）方法，并在这个重写的run（）方法中调用了callable方法，这样便可以解决返回值的问题。
• 从 RunnableFuture 接口的定义可以看出，它继承了 Runnable 接口， 那么这样，就可以将 FutureTask 类以构造方法参数的形式传递给Thread 类了。
• 在 RunnableFuture 接口中有一个 run 方法，那么这就要求实现 RunnableFuture 接口的类要去实现了 run() 方法。这样，FutureTask 类既然实现了 RunnableFuture 接口，那么 FutureTask 类中必然有一个 run 方法是供 Thread 类调用的。

源码解读：

1.5 Future编码实战和优缺点分析

• 优点：Future+线程池异步多线程任务配合，能显著提高程序的运行效率。
• 缺点：
  • get()阻塞—一旦调用get()方法求结果，一旦调用不见不散，非要等到结果才会离开，不管你是否计算完成，如果没有计算完成容易程序堵塞。
  • isDone()轮询—轮询的方式会耗费cpu资源，而且也不见得能及时得到计算结果，如果想要异步获取结果，通常会以轮询的方式去获取结果，尽量不要阻塞。

● 结论： Future对于结果的获取不是很友好，只能通过阻塞或轮询的方式得到任务的结果。

1.6 Future的使用举例

public class FutureApiDemo {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException, TimeoutException {FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--------come in");try {TimeUnit.SECONDS.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}return "task over";});Thread t1 = new Thread(futureTask, "t1");t1.start();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ------忙其他任务");while (true) {//轮询if(futureTask.isDone()){System.out.println(futureTask.get());break;}else{TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);System.out.println("正在处理中，不要催了，越催越慢");}}}
}

2.Future 到 CompletableFuture 的过渡

● 对于简单的业务场景使用Future完全ok
● 回调通知：
○ 应对Future的完成时间，完成了可以告诉我，也就是我们的回调通知
○ 通过轮询的方式去判断任务是否完成这样非常占cpu并且代码也不优雅
● 创建异步任务：Future + 线程池组合
● 多个任务前后依赖可以组合处理（水煮鱼—>买鱼—>调料—>下锅）：
○ 想将多个异步任务的结果组合起来，后一个异步任务的计算结果需要钱一个异步任务的值
○ 想将两个或多个异步计算合并成为一个异步计算，这几个异步计算互相独立，同时后面这个又依赖前一个处理的结果
● 对计算速度选最快的：
○ 当Future集合中某个任务最快结束时，返回结果，返回第一名处理结果
● 结论：
○ 使用Future之前提供的API功能太少，处理起来不够优雅，这时候还是让CompletableFuture以声明式的方式优雅的处理这些需求。

3.CompletableFuture接口

3.1 CompletableFuture为什么会出现

● get()方法在Future计算完成之前会一直处在阻塞状态下，阻塞的方式和异步编程的设计理念相违背。
● isDone()方法容易耗费cpu资源（cpu空转），
● 对于真正的异步处理我们希望是可以通过传入回调函数，在Future结束时自动调用该回调函数，这样，我们就不用等待结果
jdk8设计出CompletableFuture，CompletableFuture提供了一种观察者模式类似的机制，可以让任务执行完成后通知监听的一方。

3.2 CompletableFuture架构

● 接口CompletionStage:
○ 代表异步计算过程中的某一个阶段，一个阶段完成以后可能会触发另外一个阶段。
○ 一个阶段的执行可能是被单个阶段的完成触发，也可能是由多个阶段一起触发。
● 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，并且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，也提供了转换和组合CompletableFuture的方法
○ 它可能代表一个明确完成的Future，也可能代表一个完成阶段（CompletionStage），它支持在计算完成以后触发一些函数或执行某些动作

3.3 CompletableFuture的类特点

1. 分阶段链式执行方法，上一个阶段的结果可以传递给下一个阶段。
2. 主线程不需要阻塞或轮询等待结果，而是交给CompletableFuture获取结果。整个过程正常完成和异常完成情况，CompletableFuture可以分别处理。
3. 多个CompletableFuture可以取先执行的结果或者取合并后的结果。

3.4 核心的四个静态方法，来创建一个异步任务

对于上述Executor参数说明：若没有指定，则使用默认的ForkJoinPoolcommonPool()作为它的线程池执行异步代码，如果指定线程池，则使用我们自定义的或者特别指定的线程池执行异步代码。

3.5 CompletableFuture的四个静态方法的使用

• runAsync 无返回值

public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable)
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor)

public class CompletableFutureBuildDemo {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);CompletableFuture<Void> completableFuture = CompletableFuture.runAsync(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName());try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}},executorService);System.out.println(completableFuture.get()); //nullCompletableFuture<String> objectCompletableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName());try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}return "hello supplyAsync";},executorService);System.out.println(objectCompletableFuture.get());//hello supplyAsyncexecutorService.shutdown();}
}

运行结果

• supplyAsync 有返回值

public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier)
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

public class CompletableFutureUseDemo {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);CompletableFuture<Integer> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---come in");int result = ThreadLocalRandom.current().nextInt(10);try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}if (result > 5) { //模拟产生异常情况int i = 10 / 0;}System.out.println("----------1秒钟后出结果" + result);return result;}, executorService).whenComplete((v, e) -> {if (e == null) {System.out.println("计算完成 更新系统" + v);}}).exceptionally(e -> {e.printStackTrace();System.out.println("异常情况：" + e.getCause() + " " + e.getMessage());return null;});System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "先去完成其他任务");executorService.shutdown();}
}

运行结果：

3.6 CompletableFuture的优点

CompletableFuture优点：
● 异步任务结束时，会自动回调某个对象的方法；
● 主线程设置好回调后，不用关心异步任务的执行，异步任务之间可以顺序执行；
● 异步任务出错时，会自动回调某个对象的方法。

CompletableFuture常用方法

● 获得结果和触发计算
○ 获取结果
■ public T get()
■ public T get(long timeout,TimeUnit unit)
■ public T join() 和 get 一样的作用，只是不需要抛出异常
■ public T getNow(T valuelfAbsent) :计算完成就返回正常值，否则返回备用值（传入的参数），立即获取结果不阻塞
○ 主动触发计算
■ public boolean complete(T value) :是否打断get方法立即返回括号值
● 对计算结果进行处理
○ thenApply:计算结果存在依赖关系，这两个线程串行化,由于存在依赖关系（当前步错，不走下一步），当前步骤有异常的话就叫停
○ handle: 计算结果存在依赖关系，这两个线程串行化,有异常也可以往下走一步