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深入理解 CompletableFuture：Java 异步编程的利器

简介

在 Java 编程中，异步编程是提高程序性能和响应能力的重要手段。CompletableFuture 是 Java 8 引入的一个强大的异步编程工具，它提供了丰富的 API 来处理异步任务和组合多个异步操作。本文将详细介绍 CompletableFuture 的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践，并通过清晰的代码示例帮助读者深入理解和高效使用 CompletableFuture。

目录

  1. 基础概念
  2. 使用方法
  3. 常见实践
  4. 最佳实践
  5. 小结
  6. 参考资料

基础概念

什么是 CompletableFuture

CompletableFuture 是 Java 8 中 java.util.concurrent 包下的一个类，它实现了 Future 和 CompletionStage 接口。Future 接口用于表示一个异步计算的结果，而 CompletionStage 接口则定义了一系列的方法，用于在异步操作完成后执行后续的操作，从而实现异步操作的链式调用。

异步任务的执行

CompletableFuture 可以用来执行异步任务，这些任务可以是有返回值的，也可以是没有返回值的。异步任务通常由线程池中的线程来执行，从而避免阻塞主线程。

使用方法

创建 CompletableFuture

无返回值的异步任务

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class CompletableFutureExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个无返回值的 CompletableFuture
        CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            try {
                // 模拟耗时操作
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("异步任务执行完成");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        // 主线程可以继续执行其他任务
        System.out.println("主线程继续执行");

        // 等待异步任务完成
        future.join();
        System.out.println("主线程结束");
    }
}

有返回值的异步任务

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class CompletableFutureWithResultExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个有返回值的 CompletableFuture
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                // 模拟耗时操作
                Thread.sleep(2000);
                return "异步任务返回的结果";
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
        });

        // 主线程可以继续执行其他任务
        System.out.println("主线程继续执行");

        // 等待异步任务完成并获取结果
        String result = future.join();
        System.out.println("异步任务结果: " + result);
        System.out.println("主线程结束");
    }
}

处理异步任务的结果

链式调用

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class CompletableFutureChainingExample {
    public static void main(String[] args) {
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                // 模拟耗时操作
                Thread.sleep(2000);
                return "第一个异步任务的结果";
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
        }).thenApply(result -> {
            return result + "，经过处理后的结果";
        });

        // 等待异步任务完成并获取结果
        String finalResult = future.join();
        System.out.println("最终结果: " + finalResult);
    }
}

常见实践

组合多个 CompletableFuture

并行执行多个任务并等待所有任务完成

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class CompletableFutureAllOfExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                return "任务1的结果";
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
        });

        CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1500);
                return "任务2的结果";
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
        });

        CompletableFuture<Void> allFutures = CompletableFuture.allOf(future1, future2);
        allFutures.join();

        String result1 = future1.get();
        String result2 = future2.get();
        System.out.println(result1);
        System.out.println(result2);
    }
}

并行执行多个任务，只要有一个任务完成就返回结果

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class CompletableFutureAnyOfExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                return "任务1的结果";
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
        });

        CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1500);
                return "任务2的结果";
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
        });

        CompletableFuture<Object> anyFuture = CompletableFuture.anyOf(future1, future2);
        String result = (String) anyFuture.get();
        System.out.println("最先完成的任务结果: " + result);
    }
}

处理异常

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class CompletableFutureExceptionHandlingExample {
    public static void main(String[] args) {
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            throw new RuntimeException("模拟异常");
        }).exceptionally(ex -> {
            System.out.println("捕获到异常: " + ex.getMessage());
            return "默认结果";
        });

        String result = future.join();
        System.out.println("最终结果: " + result);
    }
}

最佳实践

使用自定义线程池

在创建 CompletableFuture 时，如果没有指定线程池，默认会使用 ForkJoinPool.commonPool()。为了更好地控制线程资源，建议使用自定义线程池。

import java.util.concurrent.*;

public class CompletableFutureCustomThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);

        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                return "异步任务结果";
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
        }, executor);

        String result = future.join();
        System.out.println("异步任务结果: " + result);

        executor.shutdown();
    }
}

避免阻塞主线程

尽量避免在主线程中调用 join() 或 get() 方法，因为这些方法会阻塞主线程。可以使用 thenAccept()、thenApply() 等方法来处理异步任务的结果，从而实现非阻塞编程。

小结

CompletableFuture 是 Java 中强大的异步编程工具，它提供了丰富的 API 来处理异步任务和组合多个异步操作。通过本文的介绍，我们了解了 CompletableFuture 的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践。在实际开发中，合理使用 CompletableFuture 可以提高程序的性能和响应能力。

参考资料

  1. 《Effective Java》（第三版）
  2. 《Java 并发编程实战》