1. 异步编程的背景与动机
1.1 什么是异步编程？
异步编程是指程序在执行某个任务时，不需要等待任务完成，而是可以继续执行其他任务。待异步任务完成后，再处理其结果或执行相关操作。这种编程模型可以有效地提高程序的并发性能，减少资源浪费。
在传统的同步编程模型中，任务是顺序执行的。如果一个任务需要长时间完成（例如网络请求或文件I/O操作），整个程序会被阻塞，直到该任务完成。这不仅降低了效率，还可能导致程序响应时间过长。
1.2 为什么需要异步编程？
在现代应用中，尤其是Web应用和微服务架构中，响应速度和吞吐量是衡量系统性能的重要指标。通过异步编程，我们可以：
- 提高并发性：多个任务可以同时执行，而不必等待某个任务完成。
- 改善响应性：程序可以快速响应用户请求，而不是被长时间的任务阻塞。
- 更好地利用资源：异步任务不会占用线程资源，使系统可以处理更多的任务。
2. 初识CompletableFuture
CompletableFuture是Java标准库中java.util.concurrent包的一部分。它不仅继承了Future接口，还提供了许多用于处理异步任务的便捷方法。
2.1 基本使用方法
首先，让我们来看一个简单的示例，演示如何使用CompletableFuture执行异步任务。
import java.util.concurrent.CompletableFuture;public class CompletableFutureDemo {public static void main(String[] args) {// 创建一个异步任务CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {try {Thread.sleep(1000);System.out.println("异步任务完成！");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});System.out.println("主线程继续执行...");// 阻塞等待异步任务完成future.join();}
}
在这个示例中，CompletableFuture.runAsync方法会异步执行一个任务，而主线程可以继续执行其他操作。通过调用join()方法，我们可以等待异步任务的完成。
2.2 CompletableFuture vs Future
在Java 8之前，Future接口已经提供了一种管理异步任务的方式，但它存在一些局限性：
- 无法手动完成任务：
Future任务只能通过任务的执行结果来完成。 - 不支持链式调用：
Future不提供处理任务完成后的方法。 - 不支持多个任务的组合：
Future只能处理单个异步任务，无法轻松处理多个任务之间的依赖关系。
CompletableFuture克服了这些局限性，并增加了许多新的功能，使其成为一个更强大、更灵活的异步编程工具。
3. CompletableFuture的核心方法
3.1 创建异步任务
CompletableFuture提供了多种方法来创建异步任务。常见的方法包括：
runAsync(Runnable)：异步执行一个没有返回值的任务。supplyAsync(Supplier<U>)：异步执行一个有返回值的任务。
示例代码：
CompletableFuture<Void> future1 = CompletableFuture.runAsync(() -> {System.out.println("运行异步任务");
});CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {return "异步任务的结果";
});
3.2 处理任务结果
CompletableFuture提供了多种方法来处理异步任务的结果。常见的处理方法包括：
thenApply(Function)：当异步任务完成后，使用其结果执行一个新的任务，并返回新任务的结果。thenAccept(Consumer)：当异步任务完成后，使用其结果执行一个操作，但不返回结果。thenRun(Runnable)：当异步任务完成后，执行一个不依赖任务结果的操作。
示例代码：
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {return "Hello";
});future.thenApply(result -> result + " World").thenAccept(finalResult -> System.out.println(finalResult)); // 输出 "Hello World"
3.3 组合多个异步任务
在实际开发中，可能需要将多个异步任务组合在一起，CompletableFuture提供了以下方法：
thenCombine(CompletableFuture<U>, BiFunction)：合并两个异步任务的结果，并返回新的结果。thenCompose(Function)：将一个异步任务的结果作为参数，传递给另一个异步任务。
示例代码：
CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 100);
CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 200);CompletableFuture<Integer> combinedFuture = future1.thenCombine(future2, (result1, result2) -> result1 + result2);combinedFuture.thenAccept(System.out::println); // 输出 300
3.4 异常处理
异步任务在执行过程中可能会发生异常。CompletableFuture提供了以下方法来处理这些异常：
exceptionally(Function<Throwable, U>)：当任务出现异常时，提供一个默认值或处理逻辑。handle(BiFunction<U, Throwable, U>)：无论任务是否成功，都可以处理任务的结果或异常。
示例代码：
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {if (true) {throw new RuntimeException("任务执行失败");}return "Success";
});future.exceptionally(ex -> "默认值").thenAccept(System.out::println); // 输出 "默认值"
3.5 等待所有任务完成
在某些情况下，你可能需要等待多个异步任务全部完成。CompletableFuture提供了allOf和anyOf方法来处理这种场景：
allOf(CompletableFuture<?>...)：等待所有提供的CompletableFuture任务完成。anyOf(CompletableFuture<?>...)：一旦任何一个CompletableFuture任务完成，即可继续后续操作。
示例代码：
CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "任务1");
CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "任务2");CompletableFuture<Void> allOf = CompletableFuture.allOf(future1, future2);allOf.thenRun(() -> System.out.println("所有任务完成")); // 所有任务完成
4. CompletableFuture的高级特性
4.1 自定义Executor
默认情况下，CompletableFuture使用ForkJoinPool.commonPool()来执行异步任务。然而，在一些场景中，你可能希望使用自定义的线程池。你可以通过runAsync和supplyAsync方法的重载版本来实现这一点。
示例代码：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {System.out.println("在自定义线程池中运行");
}, executor);executor.shutdown();
4.2 超时机制
在异步编程中，任务可能会因为各种原因长时间未完成。为了避免程序被无限制地等待，CompletableFuture可以与Java 9引入的completeOnTimeout和orTimeout方法结合使用。
示例代码：
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {try {Thread.sleep(2000); // 模拟长时间运行任务} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}return "完成";
});future.orTimeout(1, TimeUnit.SECONDS).exceptionally(ex -> "任务超时").thenAccept(System.out::println); // 输出 "任务超时"
4.3 链式调用与组合
CompletableFuture支持链式调用，这使得代码更加简洁。你可以将多个异步任务通过thenApply、thenCompose等方法进行组合，实现复杂的异步流程。
示例代码：
CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello").thenApply(result -> result + " World").thenApply(String::toUpperCase).thenAccept(System.out::println); // 输出 "HELLOWORLD"
4.4 与Stream API结合
CompletableFuture还可以与Java 8的Stream API结合使用，处理一组异步任务。例如，你可以将一个任务列表转换为CompletableFuture，然后使用allOf或anyOf等待它们的完成。
示例代码：
List<CompletableFuture<String>> futures = Arrays.asList(CompletableFuture.supplyAsync(() -> "任务1"),CompletableFuture.supplyAsync(() -> "任务2"),CompletableFuture.supplyAsync(() -> "任务3")
);CompletableFuture<Void> allOf = CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[0]));allOf.thenRun(() -> futures.forEach(f -> f.thenAccept(System.out::println))); // 输出 "任务1" "任务2" "任务3"
5. 实际应用场景
5.1 并行处理批量任务
假设你需要从多个远程服务中获取数据并进行处理。你可以使用CompletableFuture并行执行这些任务，然后将结果合并：
CompletableFuture<String> data1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> fetchDataFromService1());
CompletableFuture<String> data2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> fetchDataFromService2());
CompletableFuture<String> data3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> fetchDataFromService3());CompletableFuture<Void> allOf = CompletableFuture.allOf(data1, data2, data3);allOf.thenRun(() -> {try {System.out.println(data1.get() + data2.get() + data3.get());} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}
});
5.2 实现异步非阻塞的REST API
在Web开发中，我们可以使用CompletableFuture实现异步非阻塞的REST API，以提高系统吞吐量和响应速度：
@RestController
public class MyController {@GetMapping("/async")public CompletableFuture<ResponseEntity<String>> asyncEndpoint() {return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 模拟耗时操作return ResponseEntity.ok("异步响应");});}
}
6. 总结
CompletableFuture为Java开发者提供了一个强大的工具来处理异步编程。通过本文的介绍，你应该已经掌握了CompletableFuture的基本使用方法、组合与异常处理的高级特性，以及实际开发中的应用场景。异步编程虽然相较于传统的同步编程更为复杂，但CompletableFuture通过其丰富的API和灵活的组合方式，使得编写异步代码更加简洁和高效。
希望你在以后的开发中能够熟练应用CompletableFuture，从而编写出性能更高、响应更快的Java应用程序。
