1 Future介绍

1.1 Future的主要功能

JDK5新增了Future接口，用于描述一个异步计算的结果。

Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等操作。必要时可以通过get方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

Future类位于java.util.concurrent包下，它是一个接口：

public interface Future<V> { 
 /** 
  * 方法用来取消任务，如果取消任务成功则返回true，如果取消任务失败则返回false。 * 
  * @param mayInterruptIfRunning 表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务，如果设置true，则表示可以取消正在执行过程中的任务。 
  * @return 如果任务已经完成，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，此方法肯定返回false，即如果取消已经完成的任务会返回false； 
  * 如果任务正在执行，若mayInterruptIfRunning设置为true，则返回true，若mayInterruptIfRunning设置为false，则返回false； 
  * 如果任务还没有执行，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，肯定返回true。 
  */ 
  boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning); 

   /** 
    * 方法表示任务是否被取消成功 
    * @return 如果在任务正常完成前被取消成功，则返回 true 
    */ 
   boolean isCancelled(); 

   /** 
    * 方法表示任务是否已经完成 
    * @return 若任务完成，则返回true 
    */ 
   boolean isDone(); 

   /** 
    * 方法用来获取执行结果，这个方法会产生阻塞，会一直等到任务执行完毕才返回 
    * @return 任务执行的结果值 
    * @throws InterruptedException 线程被中断异常
    * @throws ExecutionException 任务执行异常，如果任务被取消，还会抛出CancellationException
    */ 
   V get() throws InterruptedException, ExecutionException; 

   /** 
    * 用来获取执行结果，如果在指定时间内，还没获取到结果，就直接返回null（并不是抛出异常，需要注意）。 
    * @param timeout 超时时间 
    * @param unit 超时单位 
    * @return 
    * @throws InterruptedException 
    * @throws ExecutionException 
    * @throws TimeoutException 如果计算超时，将抛出TimeoutException（待确认）
    */ 
   V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException; 
}

从上面方法的注释可以看出，Futrue提供了三种功能：

1）判断任务是否完成；

2）能够中断任务；

3）能够获取任务执行结果。（最为常用的）

1.2 Future的局限性

从本质上说，Future表示一个异步计算的结果。它提供了isDone()来检测计算是否已经完成，并且在计算结束后，可以通过get()方法来获取计算结果。在异步计算中，Future确实是个非常优秀的接口。但是，它的本身也确实存在着许多限制：

• 并发执行多任务：Future只提供了get()方法来获取结果，并且是阻塞的。所以，除了等待你别无他法；当 for 循环批量获取 Future 的结果时容易 block，因此get 方法调用时应使用 timeout 限制。
• 无法对多个任务进行链式调用：如果你希望在计算任务完成后执行特定动作，比如发邮件，但Future却没有提供这样的能力；
• 无法组合多个任务：如果你运行了10个任务，并期望在它们全部执行结束后执行特定动作，那么在Future中这是无能为力的；
• 没有异常处理：Future接口中没有关于异常处理的方法；

2 CompletableFuture介绍

虽然 Future 以及相关使用方法提供了异步执行任务的能力，但是对于结果的获取却是很不方便，只能通过阻塞或者轮询的方式得到任务的结果。如果遇到前面的task执行较慢时需要阻塞等待前面的task执行完后面task才能取得结果。

阻塞的方式显然和我们的异步编程的初衷相违背，轮询的方式又会耗费无谓的 CPU 资源，而且也不能及时地得到计算结果。而CompletableFuture的主要功能就是一边生成任务,一边获取任务的返回值。让两件事分开执行,任务之间不会互相阻塞，可以实现先执行完的先取结果，不再依赖任务顺序了。

2.1 CompletableFuture原理

内部通过阻塞队列+FutureTask，实现了任务先完成可优先获取到，即结果按照完成先后顺序排序，内部有一个先进先出的阻塞队列，用于保存已经执行完成的Future，通过调用它的take方法或poll方法可以获取到一个已经执行完成的Future，进而通过调用Future接口实现类的get方法获取最终的结果。

2.2 应用场景

当需要批量提交异步任务的时候建议使用CompletableFuture。CompletableFuture将线程池Executor和阻塞队列BlockingQueue的功能融合在了一起，能够让批量异步任务的管理更简单。

CompletableFuture能够让异步任务的执行结果有序化。先执行完的先进入阻塞队列，利用这个特性，你可以轻松实现后续处理的有序性，避免无谓的等待。

线程池隔离。CompletionService支持自己创建线程池，这种隔离性能避免几个特别耗时的任务拖垮整个应用的风险。

2.3 CompletableFuture使用详解

简单的任务，用Future获取结果还好，但我们并行提交的多个异步任务，往往并不是独立的，很多时候业务逻辑处理存在串行[依赖]、并行、聚合的关系。如果要我们手动用 Fueture 实现，是非常麻烦的。

CompletableFuture是Future接口的扩展和增强。CompletableFuture实现了Future接口，并在此基础上进行了丰富地扩展，完美地弥补了Future上述的种种问题。

更为重要的是，CompletableFuture实现了对任务的编排能力。借助这项能力，我们可以轻松地组织不同任务的运行顺序、规则以及方式。从某种程度上说，这项能力是它的核心能力。而在以往，虽然通过CountDownLatch等工具类也可以实现任务的编排，但需要复杂的逻辑处理，不仅耗费精力且难以维护。

3 CompletableFuture应用梳理

按照使用功能分类

按应用场景分类

• 很多方法上，可以指定线程池，而没有指定Executor的方法会使用ForkJoinPool.commonPool() 作为它的线程池执行异步代码。如果指定线程池，则使用指定的线程池运行。

• 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。

• 等我们使用的时候，会注意到CompletableFuture的方法命名规则：

  • xxx()：表示该方法将继续在已有的线程中执行；

• xxxAsync()：表示可能会使用其它的线程去执行(如果使用相同的线程池，也可能会被同一个线程选中执行)。

4 使用案例

4.1 基础使用案例

串行执行：

定义两个CompletableFuture，第一个CompletableFuture根据证券名称查询证券代码，第二个CompletableFuture根据证券代码查询证券价格，这两个CompletableFuture实现串行操作如下：

CompletableFuture.supplyAsync():创建一个包含返回值的异步任务；
thenApplyAsync():获取前一个线程的结果进行转换，有返回值；
thenAccept():获取前一个线程的结果进行消费，无返回值。

public class Demo {
    private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 第一个任务:创建一个包含返回值的CompletableFuture
        CompletableFuture<String> cfQuery = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油");
        });
        // cfQuery成功后继续执行下一个任务:
        CompletableFuture<Double> cfFetch = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice(code);
        });
        // cfFetch成功后打印结果:
        cfFetch.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 主线程不要结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        countDownLatch.await();
    }

    public static void main2(String[] args) throws Exception {
        CompletableFuture.supplyAsync(() -> queryCode("中国石油"))
                .thenApplyAsync((code) -> fetchPrice(code))
                .thenAccept((result) -> System.out.println("price: " + result));
        countDownLatch.await();
    }

    static String queryCode(String name) {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        String code = "601857";
        System.out.println("查询证券编码,name:" + name + ",code:" + code);
        return code;
    }

    static Double fetchPrice(String code) {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        Double price = 5 + Math.random() * 20;
        System.out.println("根据证券编码查询价格,code:" + code + ";price:" + price);
        return price;
    }
}

并行执行：

除了串行执行外，多个CompletableFuture还可以并行执行。例如，我们考虑这样的场景：

同时从新浪和网易查询证券代码，只要任意一个返回结果，就进行下一步查询价格，查询价格也同时从新浪和网易查询，只要任意一个返回结果，就完成操作：

CompletableFuture.supplyAsync():创建一个包含返回值的异步任务；
CompletableFuture.anyOf(cf1,cf2,cf3).join():多个异步线程任一执行完即返回，有返回值Object；
thenAccept():获取前一个线程的结果进行消费，无返回值。

public class Demo2 {
    private static CountDownLatch COUNT_DOWN_LATCH = new CountDownLatch(1);

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 两个CompletableFuture执行异步查询:
        CompletableFuture<String> cfQueryFromSina = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油", "https://finance.sina.com.cn/code/");
        });
        CompletableFuture<String> cfQueryFrom163 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油", "https://money.163.com/code/");
        });

        // 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
        CompletableFuture<Object> cfQuery = CompletableFuture.anyOf(cfQueryFromSina, cfQueryFrom163);

        // 两个CompletableFuture执行异步查询:
        CompletableFuture<Double> cfFetchFromSina = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice((String) code, "https://finance.sina.com.cn/price/");
        });
        CompletableFuture<Double> cfFetchFrom163 = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice((String) code, "https://money.163.com/price/");
        });

        // 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
        CompletableFuture<Object> cfFetch = CompletableFuture.anyOf(cfFetchFromSina, cfFetchFrom163);

        // 最终结果:
        cfFetch.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 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:
        COUNT_DOWN_LATCH.await();
    }

    public static void main2(String[] args) throws Exception {
        // 两个CompletableFuture执行异步查询:
        CompletableFuture<String> cfQueryFromSina = CompletableFuture.supplyAsync(() -> queryCode("中国石油", "https://finance.sina.com.cn/code/"));
        CompletableFuture<String> cfQueryFrom163 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> queryCode("中国石油", "https://money.163.com/code/"));

        // 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
        CompletableFuture<Object> cfQuery = CompletableFuture.anyOf(cfQueryFromSina, cfQueryFrom163);

        // 两个CompletableFuture执行异步查询:
        CompletableFuture<Double> cfFetchFromSina = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> fetchPrice((String) code, "https://finance.sina.com.cn/price/"));
        CompletableFuture<Double> cfFetchFrom163 = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> fetchPrice((String) code, "https://money.163.com/price/"));

        // 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
        CompletableFuture<Object> cfFetch = CompletableFuture.anyOf(cfFetchFromSina, cfFetchFrom163);

        // 最终结果:
        cfFetch.thenAccept((result) -> System.out.println("price: " + result));
        // 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:
        COUNT_DOWN_LATCH.await();
    }

    static String queryCode(String name, String url) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " query code from " + url + "...");
        try {
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        String code = "601857";
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 查询证券编码,name:" + name + ",code:" + code);
        return code;
    }

    static Double fetchPrice(String code, String url) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " query price from " + url + "...");
        try {
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Double price = 5 + Math.random() * 20;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 根据证券编码查询价格,code:" + code + ";price:" + price);
        return price;
    }
}

上述逻辑实现的异步查询规则实际上是：

image

4.2 实现最优的“烧水泡茶”程序

public class Demo3 {

    public static void main(String[] args) {

        //任务1：洗水壶 -> 烧开水
        CompletableFuture<String> f11 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("T1:洗水壶...开始");
            sleep(1000);
            return "T1:洗水壶...完成";
        });
        CompletableFuture<String> f12 = f11.thenApply((f11Result) -> {
            System.out.println(f11Result);
            System.out.println("T1:烧开水...开始");
            sleep(3000);
            return "T1:烧开水...完成";
        });

        //任务2：洗茶壶->洗茶杯->拿茶叶
        CompletableFuture<Void> f21 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            System.out.println("==============T2:洗茶壶...开始");
            sleep(1000);
            System.out.println("==============T2:洗茶壶...完成");
        });
        CompletableFuture<Void> f22 = f21.thenRun(() -> {
            System.out.println("==============T2:洗茶杯...开始");
            sleep(2000);
            System.out.println("==============T2:洗茶杯...完成");
        });
        CompletableFuture<String> f23 = f22.thenApply(result -> {
            System.out.println("==============T2:拿茶叶...开始");
            sleep(1000);
            System.out.println("==============T2:拿茶叶...完成");
            return "龙井";
        });
        //任务3：任务1和任务2完成后执行：泡茶
        CompletableFuture<String> f3 = f12.thenCombine(f23, (f1Result, f2Result) -> {
            System.out.println(f1Result);
            System.out.println("************T2:拿到茶叶:result" + f2Result);
            System.out.println("************T3:泡茶...,什么茶:" + f2Result);
            return "上茶:" + f2Result;
        });
        //等待任务3执行结果
        System.out.println(f3.join());
    }

    static void sleep(int t) {
        try {
            Thread.sleep(t);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

参考文档：

CompletableFuture (Java Platform SE 8 )

Future & CompleteFuture 剖析实战