Java8的CompletableFuture的用法介紹（附範例）

這篇文章帶給大家的內容是關於Java8的CompletableFuture的用法介紹（附範例），有一定的參考價值，有需要的朋友可以參考一下，希望對你有幫助。

作為Java 8 Concurrency API改進而引入，本文是CompletableFuture類別的功能和用例的介紹。同時在Java 9 也有對CompletableFuture有一些改進，之後再進入講解。

Future計算

Future非同步計算很難操作，通常我們希望將任何計算邏輯視為一系列步驟。但是在非同步計算的情況下，表示為回呼的方法往往分散在程式碼中或深深地嵌套在彼此內部。但是當我們需要處理其中一個步驟中可能發生的錯誤時，情況可能會變得更複雜。

Futrue介面是Java 5中作為非同步計算而新增的，但它沒有任何方法去進行計算組合或處理可能出現的錯誤。

在Java 8中，引入了CompletableFuture類別。與Future介面一起，它也實作了CompletionStage介面。此介面定義了可與其他Future組合成非同步運算契約。

CompletableFuture同時是一個組合和一個框架，具有大約50種不同的構成，結合，執行非同步計算步驟和處理錯誤。

如此龐大的API可能會令人難以招架，下文將調一些重要的做重點介紹。

使用CompletableFuture作為Future實作

首先，CompletableFuture類別實作Future接口，因此你可以將其用作Future實現，但需要額外的完成實作邏輯。

例如，你可以使用無構參建構函式建立這類的實例，然後使用complete方法完成。消費者可以使用get方法來阻塞目前線程，直到get()結果。

在下面的範例中，我們有一個建立CompletableFuture實例的方法，然後在另一個執行緒中計算並立即傳回Future。

計算完成後，該方法透過將結果提供給完整方法來完成Future：

public Future<String> calculateAsync() throws InterruptedException {
    CompletableFuture<String> completableFuture 
      = new CompletableFuture<>();
 
    Executors.newCachedThreadPool().submit(() -> {
        Thread.sleep(500);
        completableFuture.complete("Hello");
        return null;
    });
 
    return completableFuture;
}

為了分離計算，我們使用了Executor API ，這種創建和完成CompletableFuture的方法可以與任何並發套件（包括原始執行緒）一起使用。

請注意，該calculateAsync方法傳回一個Future實例。

我們只是呼叫方法，接收Future實例並在我們準備阻塞結果時呼叫它的get#方法。

另請注意，get方法拋出一些已檢查的異常，即ExecutionException（封裝計算期間發生的異常）和InterruptedException （表示執行方法的執行緒被中斷的異常）：

Future<String> completableFuture = calculateAsync();
 
// ... 
 
String result = completableFuture.get();
assertEquals("Hello", result);

如果你已經知道計算的結果，也可以用變成同步的方式來傳回結果。

Future<String> completableFuture = 
  CompletableFuture.completedFuture("Hello");
 
// ...
 
String result = completableFuture.get();
assertEquals("Hello", result);

作為在某些場景中，你可能想要取消Future任務的執行。

假設我們沒有找到結果並決定完全取消非同步執行任務。這可以透過Future的取消方法完成。此方法mayInterruptIfRunning，但在CompletableFuture的情況下，它沒有任何效果，因為中斷不用於控制CompletableFuture的處理。

這是非同步方法的修改版本：

public Future<String> calculateAsyncWithCancellation() throws InterruptedException {
    CompletableFuture<String> completableFuture = new CompletableFuture<>();
 
    Executors.newCachedThreadPool().submit(() -> {
        Thread.sleep(500);
        completableFuture.cancel(false);
        return null;
    });
 
    return completableFuture;
}

當我們使用Future.get()方法阻塞結果時，cancel()表示取消執行，它將拋出CancellationException：

Future<String> future = calculateAsyncWithCancellation();
future.get(); // CancellationException

API介紹

static方法說明

上面的程式碼很簡單，下面介紹幾個 static 方法，它們使用任務來實例化一個CompletableFuture 實例。

CompletableFuture.runAsync(Runnable runnable);
CompletableFuture.runAsync(Runnable runnable, Executor executor);

CompletableFuture.supplyAsync(Supplier<U> supplier);
CompletableFuture.supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

runAsync 方法接收的是Runnable 的實例，但是它沒有傳回值

supplyAsync 方法是JDK8函數式接口，無參數，會傳回一個結果

#這兩個方法是executor 的升級，表示讓任務在指定的執行緒池中執行，不指定的話，通常任務是在ForkJoinPool.commonPool() 執行緒池中執行的。

supplyAsync()使用

靜態方法runAsync和supplyAsync允許我們對應地從Runnable和Supplier功能類型中建立CompletableFuture實例。

該Runnable的介面是在執行緒使用舊的接口，它不允許傳回值。

Supplier介面是一個不具有參數，並傳回參數化類型的一個值的單一方法的通用功能介面。

這允許將Supplier的實例作為lambda表達式提供，該表達式執行計算並傳回結果：

CompletableFuture<String> future
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
// ...
 
assertEquals("Hello", future.get());

thenRun()使用

在兩個任務任務A ，在任務B中，如果既不需要任務A的值也不想在任務B中引用，那麼你可以將Runnable lambda 傳遞給thenRun()方法。在下面的範例中，在呼叫future.get()方法之後，我們只需在控制台中列印一行：

範本

CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenRun(() -> {}); 
CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenRun(() -> {});

• 第一行用的是 thenRun(Runnable runnable)，任务 A 执行完执行 B，并且 B 不需要 A 的结果。
• 第二行用的是 thenRun(Runnable runnable)，任务 A 执行完执行 B，会返回resultA，但是 B 不需要 A 的结果。

实战

CompletableFuture<String> completableFuture 
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<Void> future = completableFuture
  .thenRun(() -> System.out.println("Computation finished."));
 
future.get();

thenAccept()使用

在两个任务任务A，任务B中，如果你不需要在Future中有返回值，则可以用 thenAccept方法接收将计算结果传递给它。最后的future.get（）调用返回Void类型的实例。

模板

CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenAccept(resultA -> {}); 

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenAccept(resultA -> {});

第一行中，runAsync不会有返回值，第二个方法thenAccept，接收到的resultA值为null，同时任务B也不会有返回结果

第二行中，supplyAsync有返回值，同时任务B不会有返回结果。

实战

CompletableFuture<String> completableFuture
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<Void> future = completableFuture
  .thenAccept(s -> System.out.println("Computation returned: " + s));
 
future.get();

thenApply()使用

在两个任务任务A，任务B中，任务B想要任务A计算的结果，可以用thenApply方法来接受一个函数实例，用它来处理结果，并返回一个Future函数的返回值：

模板

CompletableFuture.runAsync(() -> {}).thenApply(resultA -> "resultB");
CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA").thenApply(resultA -> resultA + " resultB");

• 第二行用的是 thenApply(Function fn)，任务 A 执行完执行 B，B 需要 A 的结果，同时任务 B 有返回值。

实战

CompletableFuture<String> completableFuture
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<String> future = completableFuture
  .thenApply(s -> s + " World");
 
assertEquals("Hello World", future.get());

当然，多个任务的情况下，如果任务 B 后面还有任务 C，往下继续调用 .thenXxx() 即可。

thenCompose()使用

接下来会有一个很有趣的设计模式；

CompletableFuture API 的最佳场景是能够在一系列计算步骤中组合CompletableFuture实例。

这种组合结果本身就是CompletableFuture，允许进一步再续组合。这种方法在函数式语言中无处不在，通常被称为monadic设计模式。

简单说，Monad就是一种设计模式，表示将一个运算过程，通过函数拆解成互相连接的多个步骤。你只要提供下一步运算所需的函数，整个运算就会自动进行下去。

在下面的示例中，我们使用thenCompose方法按顺序组合两个Futures。

请注意，此方法采用返回CompletableFuture实例的函数。该函数的参数是先前计算步骤的结果。这允许我们在下一个CompletableFuture的lambda中使用这个值：

CompletableFuture<String> completableFuture 
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
    .thenCompose(s -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> s + " World"));
 
assertEquals("Hello World", completableFuture.get());

该thenCompose方法连同thenApply一样实现了结果的合并计算。但是他们的内部形式是不一样的，它们与Java 8中可用的Stream和Optional类的map和flatMap方法是有着类似的设计思路在里面的。

两个方法都接收一个CompletableFuture并将其应用于计算结果，但thenCompose（flatMap）方法接收一个函数，该函数返回相同类型的另一个CompletableFuture对象。此功能结构允许将这些类的实例继续进行组合计算。

thenCombine()

取两个任务的结果

如果要执行两个独立的任务，并对其结果执行某些操作，可以用Future的thenCombine方法：

模板

CompletableFuture<String> cfA = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA");
CompletableFuture<String> cfB = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultB");

cfA.thenAcceptBoth(cfB, (resultA, resultB) -> {});

cfA.thenCombine(cfB, (resultA, resultB) -> "result A + B");

实战

CompletableFuture<String> completableFuture 
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
    .thenCombine(CompletableFuture.supplyAsync(
      () -> " World"), (s1, s2) -> s1 + s2));
 
assertEquals("Hello World", completableFuture.get());

更简单的情况是，当你想要使用两个Future结果时，但不需要将任何结果值进行返回时，可以用thenAcceptBoth，它表示后续的处理不需要返回值，而 thenCombine 表示需要返回值：

CompletableFuture future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
  .thenAcceptBoth(CompletableFuture.supplyAsync(() -> " World"),
    (s1, s2) -> System.out.println(s1 + s2));

thenApply()和thenCompose()之间的区别

在前面的部分中，我们展示了关于thenApply()和thenCompose()的示例。这两个API都是使用的CompletableFuture调用，但这两个API的使用是不同的。

thenApply()

此方法用于处理先前调用的结果。但是，要记住的一个关键点是返回类型是转换泛型中的类型，是同一个CompletableFuture。

因此，当我们想要转换CompletableFuture 调用的结果时，效果是这样的  ：

CompletableFuture<Integer> finalResult = compute().thenApply(s-> s + 1);

thenCompose()

该thenCompose()方法类似于thenApply()在都返回一个新的计算结果。但是，thenCompose()使用前一个Future作为参数。它会直接使结果变新的Future，而不是我们在thenApply()中到的嵌套Future，而是用来连接两个CompletableFuture，是生成一个新的CompletableFuture：

CompletableFuture<Integer> computeAnother(Integer i){
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> 10 + i);
}
CompletableFuture<Integer> finalResult = compute().thenCompose(this::computeAnother);

因此，如果想要继续嵌套链接CompletableFuture  方法，那么最好使用thenCompose()。

并行运行多个任务

当我们需要并行执行多个任务时，我们通常希望等待所有它们执行，然后处理它们的组合结果。

该CompletableFuture.allOf静态方法允许等待所有的完成任务：

API

public static CompletableFuture<Void> allOf(CompletableFuture<?>... cfs){...}

实战

CompletableFuture<String> future1  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
CompletableFuture<String> future2  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Beautiful");
CompletableFuture<String> future3  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "World");
 
CompletableFuture<Void> combinedFuture 
  = CompletableFuture.allOf(future1, future2, future3);
 
// ...
 
combinedFuture.get();
 
assertTrue(future1.isDone());
assertTrue(future2.isDone());
assertTrue(future3.isDone());

请注意，CompletableFuture.allOf()的返回类型是CompletableFuture 。这种方法的局限性在于它不会返回所有任务的综合结果。相反，你必须手动从Futures获取结果。幸运的是，CompletableFuture.join()方法和Java 8 Streams API可以解决：

String combined = Stream.of(future1, future2, future3)
  .map(CompletableFuture::join)
  .collect(Collectors.joining(" "));
 
assertEquals("Hello Beautiful World", combined);

CompletableFuture 提供了 join() 方法，它的功能和 get() 方法是一样的，都是阻塞获取值，它们的区别在于 join() 抛出的是 unchecked Exception。这使得它可以在Stream.map（）方法中用作方法引用。

异常处理

说到这里，我们顺便来说下 CompletableFuture 的异常处理。这里我们要介绍两个方法：

public CompletableFuture<T> exceptionally(Function<Throwable, ? extends T> fn);
public <U> CompletionStage<U> handle(BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn);

看下代码

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "resultA")
    .thenApply(resultA -> resultA + " resultB")
    .thenApply(resultB -> resultB + " resultC")
    .thenApply(resultC -> resultC + " resultD");

上面的代码中，任务 A、B、C、D 依次执行，如果任务 A 抛出异常（当然上面的代码不会抛出异常），那么后面的任务都得不到执行。如果任务 C 抛出异常，那么任务 D 得不到执行。

那么我们怎么处理异常呢？看下面的代码，我们在任务 A 中抛出异常，并对其进行处理：

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    throw new RuntimeException();
})
        .exceptionally(ex -> "errorResultA")
        .thenApply(resultA -> resultA + " resultB")
        .thenApply(resultB -> resultB + " resultC")
        .thenApply(resultC -> resultC + " resultD");

System.out.println(future.join());

上面的代码中，任务 A 抛出异常，然后通过 .exceptionally() 方法处理了异常，并返回新的结果，这个新的结果将传递给任务 B。所以最终的输出结果是：

errorResultA resultB resultC resultD

String name = null;
 
// ...
 
CompletableFuture<String> completableFuture  
  =  CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
      if (name == null) {
          throw new RuntimeException("Computation error!");
      }
      return "Hello, " + name;
  })}).handle((s, t) -> s != null ? s : "Hello, Stranger!");
 
assertEquals("Hello, Stranger!", completableFuture.get());

当然，它们也可以都为 null，因为如果它作用的那个 CompletableFuture 实例没有返回值的时候，s 就是 null。

Async后缀方法

CompletableFuture类中的API的大多数方法都有两个带有Async后缀的附加修饰。这些方法表示用于异步线程。

没有Async后缀的方法使用调用线程运行下一个执行线程阶段。不带Async方法使用ForkJoinPool.commonPool()线程池的fork / join实现运算任务。带有Async方法使用传递式的Executor任务去运行。

下面附带一个案例，可以看到有thenApplyAsync方法。在程序内部，线程被包装到ForkJoinTask实例中。这样可以进一步并行化你的计算并更有效地使用系统资源。

CompletableFuture<String> completableFuture  
  = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
 
CompletableFuture<String> future = completableFuture
  .thenApplyAsync(s -> s + " World");
 
assertEquals("Hello World", future.get());

JDK 9 CompletableFuture API

在Java 9中，  CompletableFuture API通过以下更改得到了进一步增强：

• 新工厂方法增加了
• 支持延迟和超时
• 改进了对子类化的支持。

引入了新的实例API：

• Executor defaultExecutor()
• CompletableFuture newIncompleteFuture()
• CompletableFuture copy()
• CompletionStage minimalCompletionStage()
• CompletableFuture completeAsync(Supplier supplier, Executor executor)
• CompletableFuture completeAsync(Supplier supplier)
• CompletableFuture orTimeout(long timeout, TimeUnit unit)
• CompletableFuture completeOnTimeout(T value, long timeout, TimeUnit unit)

还有一些静态实用方法：

• Executor delayedExecutor(long delay, TimeUnit unit, Executor executor)
• Executor delayedExecutor(long delay, TimeUnit unit)
• CompletionStage completedStage(U value)
• CompletionStage failedStage(Throwable ex)
• CompletableFuture failedFuture(Throwable ex)

最后，为了解决超时问题，Java 9又引入了两个新功能：

• orTimeout()
• completeOnTimeout()

结论

在本文中，我们描述了CompletableFuture类的方法和典型用例。

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以上是Java8的CompletableFuture的用法介紹（附範例）的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！