Java8 CompletableFuture 异步多线程的实现

下面就详细讲解Java8 CompletableFuture的异步多线程实现。

一、什么是CompletableFuture

CompletableFuture 是 Java 异步编程的一种实现，它是 Java8 引入的一个类，可以用于多线程的异步处理，能够以更加简洁的方式来编写并发代码。

相对于传统的线程池，CompletableFuture 的优势在于它不仅仅支持异步操作，还支持操作串行化、并行化、异常处理、超时处理等一系列高级功能，同时也避免了使用传统的回调函数嵌套，代码更加简洁，易于维护。

二、CompletableFuture 的基本用法

1. 创建 CompletableFuture

通过 CompletableFuture 的静态工厂方法 supplyAsync() 创建一个有返回结果的 CompletableFuture。

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return "Hello World!";
});

由于 CompletableFuture.supplyAsync() 方法是采用了线程池的方式来执行任务，因此当执行时会利用线程池中的线程来执行任务，不会阻塞主线程。

2. 获取 CompletableFuture 结果

通过 get() 方法获取 CompletableFuture 的执行结果。

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return "Hello World!";
});

String result = future.get();

3. 配置任务执行线程池

CompletableFuture 会默认使用 ForkJoin 线程池，如果需要修改线程池的话，可以使用另外一个重载的 supplyAsync() 方法，并且将自定义的线程池作为参数传入。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return "Hello World!";
}, executor);

4. 阻塞等待 CompletableFuture 完成

在某些情况下，我们需要在异步任务执行完成之后再进行后续操作。CompletableFuture 提供了阻塞的方式来等待异步任务的执行结果，并在执行完成后返回结果。

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return "Hello World!";
});

String result = future.join();

三、CompletableFuture 的高级用法

1. 异步处理任务结果

在 CompletableFuture 中，提供了一种 whenComplete() 方法来处理异步任务的结果，无论任务是否执行完成都会执行 whenComplete() 方法，并且可以获取到任务的执行结果和异常信息。

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return "Hello World!";
});

CompletableFuture<Void> result = future.whenComplete((str, throwable) -> {
    if (throwable != null) {
        System.out.println("执行出错：" + throwable.getMessage());
    } else {
        System.out.println("执行结果为：" + str);
    }
});

2. 组合多个 CompletableFuture

在 CompletableFuture 中可以利用 thenCombine()、thenApply() 等方法来实现多个异步任务的组合，这些组合方法类似于函数式编程中的 map 和 reduce。

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return "Hello";
});

CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return "World";
});

CompletableFuture<String> result = future1.thenCombine(future2, (str1, str2) -> {
    return str1 + " " + str2 + "!";
});

String str = result.get();
System.out.println(str);

上述示例中，两个 CompletableFuture 分别返回字符串"Hello"和"World"，通过 thenCombine() 方法将这两个结果进行组合，最终返回"Hello World!"。

3. 进一步发挥 CompletableFuture 的能力

在 CompletableFuture 中还支持一系列功能，如串行化执行、并行化执行、异常处理、超时处理等。这些功能都可以有效提升 CompletableFuture 的应用场景，除上述例子外还可以参考以下示例。

串行化执行

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return "Hello";
});

CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return "World";
});

CompletableFuture<String> future3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return "!";
});

CompletableFuture<Void> result = future1.thenCompose(str1 -> {
    return future2.thenCombine(future3, (str2, str3) -> {
        return str1 + " " + str2 + str3;
    });
}).thenAccept(str -> {
    System.out.println(str);
});

并行化执行

List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10);

List<Integer> result = list.stream().map(num -> {
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        double val = Math.sqrt(num);
        return (int)val;
    });
}).map(CompletableFuture::join).collect(Collectors.toList());

System.out.println(result);

异常处理

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    throw new RuntimeException("任务执行出错！");
});

CompletableFuture<Integer> result = future.exceptionally(ex -> {
    System.out.println("获取到异常：" + ex.getMessage());
    return -1;
});

System.out.println(result.get());

超时处理

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    return "Hello World!";
});

CompletableFuture<String> result = future.completeOnTimeout("任务超时！", 3, TimeUnit.SECONDS);

System.out.println(result.get());

四、结语

Java8 的 CompletableFuture 提供了一种高效的多线程编程方式，无论是在性能、可读性和可维护性方面都有非常大的提升。当然除了 CompletableFuture，ConcurrentHashMap、AtomicReference 等都是 Java 同步并发编程中非常常见的工具，都可以通过查看相关文档和实践掌握，让开发更加高效和便捷。