無語！你竟然連CompletableFuture都不知道，還天天說在jdk8原地踏步~

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這篇文章介紹 Java 8 的 CompletionStage API和它的標準庫的實現(xiàn) CompletableFuture。API通過例子的方式演示了它的行為，每個例子演示一到兩個行為。

既然CompletableFuture類實現(xiàn)了CompletionStage接口，首先我們需要理解這個接口的契約。它代表了一個特定的計算的階段，可以同步或者異步的被完成。你可以把它看成一個計算流水線上的一個單元，最終會產(chǎn)生一個最終結(jié)果，這意味著幾個CompletionStage可以串聯(lián)起來，一個完成的階段可以觸發(fā)下一階段的執(zhí)行，接著觸發(fā)下一次，接著……

除了實現(xiàn)CompletionStage接口， CompletableFuture也實現(xiàn)了future接口, 代表一個未完成的異步事件。CompletableFuture提供了方法，能夠顯式地完成這個future,所以它叫CompletableFuture。

創(chuàng)建一個完成的CompletableFuture

最簡單的例子就是使用一個預(yù)定義的結(jié)果創(chuàng)建一個完成的CompletableFuture,通常我們會在計算的開始階段使用它。
static void completedFutureExample() {    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture("message");    assertTrue(cf.isDone());    assertEquals("message", cf.getNow(null));}

getNow(null)方法在future完成的情況下會返回結(jié)果，就比如上面這個例子，否則返回null (傳入的參數(shù))。

運行一個簡單的異步階段

這個例子創(chuàng)建一個一個異步執(zhí)行的階段：
static void runAsyncExample() {    CompletableFuture cf = CompletableFuture.runAsync(() -> {        assertTrue(Thread.currentThread().isDaemon());        randomSleep();    });    assertFalse(cf.isDone());    sleepEnough();    assertTrue(cf.isDone());}

通過這個例子可以學(xué)到兩件事情：

CompletableFuture的方法如果以Async結(jié)尾，它會異步的執(zhí)行(沒有指定executor的情況下)， 異步執(zhí)行通過ForkJoinPool實現(xiàn)， 它使用守護線程去執(zhí)行任務(wù)。注意這是CompletableFuture的特性， 其它CompletionStage可以override這個默認的行為。

在前一個階段上應(yīng)用函數(shù)

下面這個例子使用前面 #1 的完成的CompletableFuture， #1返回結(jié)果為字符串message,然后應(yīng)用一個函數(shù)把它變成大寫字母。
static void thenApplyExample() {    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture("message").thenApply(s -> {        assertFalse(Thread.currentThread().isDaemon());        return s.toUpperCase();    });    assertEquals("MESSAGE", cf.getNow(null));}

注意thenApply方法名稱代表的行為。

then意味著這個階段的動作發(fā)生當(dāng)前的階段正常完成之后。本例中，當(dāng)前節(jié)點完成，返回字符串message。

Apply意味著返回的階段將會對結(jié)果前一階段的結(jié)果應(yīng)用一個函數(shù)。

函數(shù)的執(zhí)行會被阻塞，這意味著getNow()只有打斜操作被完成后才返回。

在前一個階段上異步應(yīng)用函數(shù)

通過調(diào)用異步方法(方法后邊加Async后綴)，串聯(lián)起來的CompletableFuture可以異步地執(zhí)行（使用ForkJoinPool.commonPool()）。
static void thenApplyAsyncExample() {    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture("message").thenApplyAsync(s -> {        assertTrue(Thread.currentThread().isDaemon());        randomSleep();        return s.toUpperCase();    });    assertNull(cf.getNow(null));    assertEquals("MESSAGE", cf.join());}

使用定制的Executor在前一個階段上異步應(yīng)用函數(shù)

異步方法一個非常有用的特性就是能夠提供一個Executor來異步地執(zhí)行CompletableFuture。這個例子演示了如何使用一個固定大小的線程池來應(yīng)用大寫函數(shù)。
static ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3, new ThreadFactory() {    int count = 1;
    @Override    public Thread newThread(Runnable runnable) {        return new Thread(runnable, "custom-executor-" + count++);    }});
static void thenApplyAsyncWithExecutorExample() {    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture("message").thenApplyAsync(s -> {        assertTrue(Thread.currentThread().getName().startsWith("custom-executor-"));        assertFalse(Thread.currentThread().isDaemon());        randomSleep();        return s.toUpperCase();    }, executor);
    assertNull(cf.getNow(null));    assertEquals("MESSAGE", cf.join());}

消費前一階段的結(jié)果

如果下一階段接收了當(dāng)前階段的結(jié)果，但是在計算的時候不需要返回值(它的返回類型是void)， 那么它可以不應(yīng)用一個函數(shù)，而是一個消費者， 調(diào)用方法也變成了thenAccept:
static void thenAcceptExample() {    StringBuilder result = new StringBuilder();    CompletableFuture.completedFuture("thenAccept message")            .thenAccept(s -> result.append(s));    assertTrue("Result was empty", result.length() > 0);}

本例中消費者同步地執(zhí)行，所以我們不需要在CompletableFuture調(diào)用join方法。

異步地消費遷移階段的結(jié)果

同樣，可以使用thenAcceptAsync方法， 串聯(lián)的CompletableFuture可以異步地執(zhí)行。
static void thenAcceptAsyncExample() {    StringBuilder result = new StringBuilder();    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture("thenAcceptAsync message")            .thenAcceptAsync(s -> result.append(s));    cf.join();    assertTrue("Result was empty", result.length() > 0);}

完成計算異常

現(xiàn)在我們來看一下異步操作如何顯式地返回異常，用來指示計算失敗。我們簡化這個例子，操作處理一個字符串，把它轉(zhuǎn)換成答謝，我們模擬延遲一秒。

我們使用thenApplyAsync(Function, Executor)方法，第一個參數(shù)傳入大寫函數(shù)， executor是一個delayed executor,在執(zhí)行前會延遲一秒。
static void completeExceptionallyExample() {    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture("message").thenApplyAsync(String::toUpperCase,            CompletableFuture.delayedExecutor(1, TimeUnit.SECONDS));    CompletableFuture exceptionHandler = cf.handle((s, th) -> { return (th != null) ? "message upon cancel" : ""; });    cf.completeExceptionally(new RuntimeException("completed exceptionally"));assertTrue("Was not completed exceptionally", cf.isCompletedExceptionally());    try {        cf.join();        fail("Should have thrown an exception");    } catch(CompletionException ex) { // just for testing        assertEquals("completed exceptionally", ex.getCause().getMessage());    }
    assertEquals("message upon cancel", exceptionHandler.join());}

讓我們看一下細節(jié)。

首先我們創(chuàng)建了一個CompletableFuture, 完成后返回一個字符串message,接著我們調(diào)用thenApplyAsync方法，它返回一個CompletableFuture。這個方法在第一個函數(shù)完成后，異步地應(yīng)用轉(zhuǎn)大寫字母函數(shù)。

這個例子還演示了如何通過delayedExecutor(timeout, timeUnit)延遲執(zhí)行一個異步任務(wù)。

我們創(chuàng)建了一個分離的handler階段：exceptionHandler， 它處理異常異常，在異常情況下返回message upon cancel。

下一步我們顯式地用異常完成第二個階段。在階段上調(diào)用join方法，它會執(zhí)行大寫轉(zhuǎn)換，然后拋出CompletionException（正常的join會等待1秒，然后得到大寫的字符串。不過我們的例子還沒等它執(zhí)行就完成了異常）， 然后它觸發(fā)了handler階段。

取消計算

和完成異常類似，我們可以調(diào)用cancel(boolean mayInterruptIfRunning)取消計算。對于CompletableFuture類，布爾參數(shù)并沒有被使用，這是因為它并沒有使用中斷去取消操作，相反，cancel等價于completeExceptionally(new CancellationException())。
static void cancelExample() {    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture("message").thenApplyAsync(String::toUpperCase,            CompletableFuture.delayedExecutor(1, TimeUnit.SECONDS));    CompletableFuture cf2 = cf.exceptionally(throwable -> "canceled message");    assertTrue("Was not canceled", cf.cancel(true));    assertTrue("Was not completed exceptionally", cf.isCompletedExceptionally());    assertEquals("canceled message", cf2.join());}

在兩個完成的階段其中之一上應(yīng)用函數(shù)

下面的例子創(chuàng)建了CompletableFuture, applyToEither處理兩個階段， 在其中之一上應(yīng)用函數(shù)(包保證哪一個被執(zhí)行)。本例中的兩個階段一個是應(yīng)用大寫轉(zhuǎn)換在原始的字符串上， 另一個階段是應(yīng)用小些轉(zhuǎn)換。
static void applyToEitherExample() {    String original = "Message";    CompletableFuture cf1 = CompletableFuture.completedFuture(original)            .thenApplyAsync(s -> delayedUpperCase(s));    CompletableFuture cf2 = cf1.applyToEither(            CompletableFuture.completedFuture(original).thenApplyAsync(s -> delayedLowerCase(s)),            s -> s + " from applyToEither");    assertTrue(cf2.join().endsWith(" from applyToEither"));}

在兩個完成的階段其中之一上調(diào)用消費函數(shù)

和前一個例子很類似了，只不過我們調(diào)用的是消費者函數(shù) (Function變成Consumer):
static void acceptEitherExample() {    String original = "Message";    StringBuilder result = new StringBuilder();    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture(original)            .thenApplyAsync(s -> delayedUpperCase(s))            .acceptEither(CompletableFuture.completedFuture(original).thenApplyAsync(s -> delayedLowerCase(s)),                    s -> result.append(s).append("acceptEither"));    cf.join();    assertTrue("Result was empty", result.toString().endsWith("acceptEither"));}

在兩個階段都執(zhí)行完后運行一個 Runnable

這個例子演示了依賴的CompletableFuture如果等待兩個階段完成后執(zhí)行了一個Runnable。注意下面所有的階段都是同步執(zhí)行的，第一個階段執(zhí)行大寫轉(zhuǎn)換，第二個階段執(zhí)行小寫轉(zhuǎn)換。
static void runAfterBothExample() {    String original = "Message";    StringBuilder result = new StringBuilder();    CompletableFuture.completedFuture(original).thenApply(String::toUpperCase).runAfterBoth(            CompletableFuture.completedFuture(original).thenApply(String::toLowerCase),            () -> result.append("done"));    assertTrue("Result was empty", result.length() > 0);}

使用BiConsumer處理兩個階段的結(jié)果
上面的例子還可以通過BiConsumer來實現(xiàn):
static void thenAcceptBothExample() {    String original = "Message";    StringBuilder result = new StringBuilder();    CompletableFuture.completedFuture(original).thenApply(String::toUpperCase).thenAcceptBoth(            CompletableFuture.completedFuture(original).thenApply(String::toLowerCase),            (s1, s2) -> result.append(s1 + s2));    assertEquals("MESSAGEmessage", result.toString());}

使用BiFunction處理兩個階段的結(jié)果

如果CompletableFuture依賴兩個前面階段的結(jié)果， 它復(fù)合兩個階段的結(jié)果再返回一個結(jié)果，我們就可以使用thenCombine()函數(shù)。整個流水線是同步的，所以getNow()會得到最終的結(jié)果，它把大寫和小寫字符串連接起來。
static void thenCombineExample() {    String original = "Message";    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture(original).thenApply(s -> delayedUpperCase(s))            .thenCombine(CompletableFuture.completedFuture(original).thenApply(s -> delayedLowerCase(s)),                    (s1, s2) -> s1 + s2);    assertEquals("MESSAGEmessage", cf.getNow(null));}

異步使用BiFunction處理兩個階段的結(jié)果

類似上面的例子，但是有一點不同：依賴的前兩個階段異步地執(zhí)行，所以thenCombine()也異步地執(zhí)行，即時它沒有Async后綴。

Javadoc中有注釋：
Actions supplied for dependent completions of non-async methods may be performed by the thread that completes the current CompletableFuture, or by any other caller of a completion method

所以我們需要join方法等待結(jié)果的完成。
static void thenCombineAsyncExample() {    String original = "Message";    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture(original)            .thenApplyAsync(s -> delayedUpperCase(s))            .thenCombine(CompletableFuture.completedFuture(original).thenApplyAsync(s -> delayedLowerCase(s)),                    (s1, s2) -> s1 + s2);    assertEquals("MESSAGEmessage", cf.join());}

組合 CompletableFuture

我們可以使用thenCompose()完成上面兩個例子。這個方法等待第一個階段的完成(大寫轉(zhuǎn)換)， 它的結(jié)果傳給一個指定的返回CompletableFuture函數(shù)，它的結(jié)果就是返回的CompletableFuture的結(jié)果。

有點拗口，但是我們看例子來理解。函數(shù)需要一個大寫字符串做參數(shù)，然后返回一個CompletableFuture, 這個CompletableFuture會轉(zhuǎn)換字符串變成小寫然后連接在大寫字符串的后面。
static void thenComposeExample() {    String original = "Message";    CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture(original).thenApply(s -> delayedUpperCase(s))            .thenCompose(upper -> CompletableFuture.completedFuture(original).thenApply(s -> delayedLowerCase(s))                    .thenApply(s -> upper + s));    assertEquals("MESSAGEmessage", cf.join());}

當(dāng)幾個階段中的一個完成，創(chuàng)建一個完成的階段

下面的例子演示了當(dāng)任意一個CompletableFuture完成后， 創(chuàng)建一個完成的CompletableFuture.

待處理的階段首先創(chuàng)建， 每個階段都是轉(zhuǎn)換一個字符串為大寫。因為本例中這些階段都是同步地執(zhí)行(thenApply), 從anyOf中創(chuàng)建的CompletableFuture會立即完成，這樣所有的階段都已完成，我們使用whenComplete(BiConsumer action)處理完成的結(jié)果。
static void anyOfExample() {    StringBuilder result = new StringBuilder();    List messages = Arrays.asList("a", "b", "c");    List futures = messages.stream()            .map(msg -> CompletableFuture.completedFuture(msg).thenApply(s -> delayedUpperCase(s)))            .collect(Collectors.toList());    CompletableFuture.anyOf(futures.toArray(new CompletableFuture[futures.size()])).whenComplete((res, th) -> {        if(th == null) {            assertTrue(isUpperCase((String) res));            result.append(res);        }    });    assertTrue("Result was empty", result.length() > 0);}

當(dāng)所有的階段都完成后創(chuàng)建一個階段

上一個例子是當(dāng)任意一個階段完成后接著處理，接下來的兩個例子演示當(dāng)所有的階段完成后才繼續(xù)處理, 同步地方式和異步地方式兩種。
static void allOfExample() {    StringBuilder result = new StringBuilder();    List messages = Arrays.asList("a", "b", "c");    List futures = messages.stream()            .map(msg -> CompletableFuture.completedFuture(msg).thenApply(s -> delayedUpperCase(s)))            .collect(Collectors.toList());    CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[futures.size()])).whenComplete((v, th) -> {        futures.forEach(cf -> assertTrue(isUpperCase(cf.getNow(null))));        result.append("done");    });    assertTrue("Result was empty", result.length() > 0);}

當(dāng)所有的階段都完成后異步地創(chuàng)建一個階段

使用thenApplyAsync()替換那些單個的CompletableFutures的方法，allOf()會在通用池中的線程中異步地執(zhí)行。所以我們需要調(diào)用join方法等待它完成。
static void allOfAsyncExample() {    StringBuilder result = new StringBuilder();    List messages = Arrays.asList("a", "b", "c");    List futures = messages.stream()            .map(msg -> CompletableFuture.completedFuture(msg).thenApplyAsync(s -> delayedUpperCase(s)))            .collect(Collectors.toList());    CompletableFuture allOf = CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[futures.size()]))            .whenComplete((v, th) -> {                futures.forEach(cf -> assertTrue(isUpperCase(cf.getNow(null))));                result.append("done");            });    allOf.join();    assertTrue("Result was empty", result.length() > 0);}

真實的例子

Now that the functionality of CompletionStage and specifically CompletableFuture is explored, the below example applies them in a practical scenario:

現(xiàn)在你已經(jīng)了解了CompletionStage 和 CompletableFuture 的一些函數(shù)的功能，下面的例子是一個實踐場景：

首先異步調(diào)用cars方法獲得Car的列表，它返回CompletionStage場景。cars消費一個遠程的REST API。
然后我們復(fù)合一個CompletionStage填寫每個汽車的評分，通過rating(manufacturerId)返回一個CompletionStage, 它會異步地獲取汽車的評分(可能又是一個REST API調(diào)用)
當(dāng)所有的汽車填好評分后，我們結(jié)束這個列表，所以我們調(diào)用allOf得到最終的階段， 它在前面階段所有階段完成后才完成。
在最終的階段調(diào)用whenComplete(),我們打印出每個汽車和它的評分。
cars().thenCompose(cars -> {    List updatedCars = cars.stream()            .map(car -> rating(car.manufacturerId).thenApply(r -> {                car.setRating(r);                return car;            })).collect(Collectors.toList());
    CompletableFuture done = CompletableFuture            .allOf(updatedCars.toArray(new CompletableFuture[updatedCars.size()]));    return done.thenApply(v -> updatedCars.stream().map(CompletionStage::toCompletableFuture)            .map(CompletableFuture::join).collect(Collectors.toList()));}).whenComplete((cars, th) -> {    if (th == null) {        cars.forEach(System.out::println);    } else {        throw new RuntimeException(th);    }}).toCompletableFuture().join();

因為每個汽車的實例都是獨立的，得到每個汽車的評分都可以異步地執(zhí)行，這會提高系統(tǒng)的性能(延遲)，而且，等待所有的汽車評分被處理使用的是allOf方法，而不是手工的線程等待(Thread#join() 或 a CountDownLatch)。

這些例子可以幫助你更好的理解相關(guān)的API,你可以在github上得到所有的例子的代碼。

其它參考文檔

Reactive programming with Java 8 and simple-react : The Tutorial
CompletableFuture Overview
CompletableFuture vs Future: going async with Java 8 new features
spotify/completable-futures