- 1 背景
- 2 CompletableFuture的发展
- 2.1 Future简介
- 2.2 Future的局限性
- 3 关于CompletableFuture
- 3.1 CompletableFuture提供的能力
- 3.2 示例场景的解决方案
- 3.3 实际应用效果
- 4 总结
- 5 参考资料
1 背景
转转门店商详页为用户在小程序、APP等终端提供下单、预约看机的能力。下图为转转门店小程序的商详页。
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起初业务体量小，QPS低，内容简单，接口采用简单的串行实现，但随着门店业务的发展，页面信息的丰富，QPS的提升，串行实现的缺点也显露出来：访问耗时高，代码耦合严重。
假设门店商详页有以下几个模块，每个模块需要如下时间才能完成：
- 获取商品基础信息 0.5s
- 获取优惠信息 1s
- 获取门店信息 1s
- 获取验机评估报告信息 1s
- 获取标品参数信息 1s
- 组装返回商品信息 0.5s
串行执行每个模块，那么一共需要5s才能返回给调用方，如果RPC接口产生超时等，会比5s还要长，显然是不能接受的。
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如果有多个线程并行完成各个模块，可能2s内就能返回信息。
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在JDK1.8中引入了CompletableFuture实现类，扩展了Future和CompletionStage，实现异步多线程任务执行。
本文主要以获取门店商详页信息为例介绍CompletableFuture的常用方法和使用。
2 CompletableFuture的发展
常见的线程创建方式有两种，一是直接继承Thread，另一种是实现Runnable接口。但这两种方式有个缺点，不支持获取线程执行结果，所以在JDK1.5之后，提供了Callable和Future，可以在任务执行后获取执行结果。
2.1 Future简介
Future类位于java.util.concurrent包下，从下面的源码可以看出，Future主要提供了三种能力：
- 关闭执行中的任务
- 判断任务是否执行完成
- 获取任务执行的结果
package java.util.concurrent;
public interface Future {
// 取消执行中的任务
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
// 判断任务是否被取消成功
boolean isCancelled();
// 判断任务是否执行完成
boolean isDone();
// 获取任务执行结果
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
// 在规定时间内获取任务执行结果，若规定时间任务还没执行完，则返回null，而非抛异常
V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}2.2 Future的局限性
Future通过isDone()判断任务是否执行完成，get()获取任务执行的结果，解决了创建线程异步执行任务不能获取执行结果的问题，在任务异步执行中，主线程在等待过程中可以做其他事，但其本身也存在一定的局限性。
- 并行执行多任务获取结果主线程长时间阻塞：当需要将多个模块的任务异步执行时，使用for循环遍历任务列表，通过
isDone()轮询判断任务是否执行完成，通过get()方法获取任务执行结果，且结果获取依赖任务执行顺序。但因Future的get()方法是主线程阻塞等待获取执行结果，所以在结果返回前，主线程不能处理其他任务，长时间阻塞，可能会产生block，在使用时考虑用超时时间的get()方法。 - 不能链式执行任务：如上述场景，希望在获取商品基础信息后执行获取优惠信息任务，Future没有提供这种能力，不能实现链式调用。
- 不能将多个任务执行的结果组合：在上述场景中，希望获取商详所需的各个模块信息后，组合成调用方需要的结果，但Future不支持。
- 不能处理异常：Future没有异常处理的能力。
综上所述，阻塞主线程获取结果的方式与异步编程的初衷相违背，轮询判断任务是否执行完成会耗费不必要的CPU资源，为优化上述问题，在JDK1.8时引入了CompletableFuture实现类，提供异步链式编程的能力。
3 关于CompletableFuture
CompletableFuture扩展了Future接口，实现了CompletionStage，提供了函数式编程的能力，通过回调的方式处理计算结果，并提供了转换和组合CompletableFuture的方法，从而简化异步编程的复杂性。下图为CompletableFuture类图。
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3.1 CompletableFuture提供的能力
CompletableFuture依然有Future的能力，可以通过get()获取结果，但不推荐使用，那么CompletableFuture提供了哪些能力呢？
3.1.1 创建异步任务
CompletableFuture提供了四种创建异步对象的方法，如下：
public static CompletableFuture runAsync(Runnable runnable)
public static CompletableFuture runAsync(Runnable runnable, Executor executor)
public static CompletableFuture supplyAsync(Supplier supplier)
public static CompletableFuture supplyAsync(Supplier supplier, Executor executor)其中runAsync表示无返回值的异步对象，supplyAsync为有返回值的异步对象，仍然可以通过如果不指定线程池会默认使用ForkJoinPool.commonPool()，建议使用自定义的线程池，和其他场景区分开，避免线程资源竞争，也易于监控线程使用情况。
在上述获取商品详情页信息的示例中，想获取验机评估报告信息，可以使用无返回值的runAsync创建对象，使用自定义的线程池testThreadPool，结果集使用自定义的对象ResultDTO接收，里面定义各个模块结果的成员变量，如果使用Map接收结果，需要注意线程安全问题。
ExecutorService testThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
ResultDTO resultDTO = new ResultDTO();
CompletableFuture baseInfoFuture = CompletableFuture.runAsync(() -> {
System.out.println("获取商品验机评估报告任务当前线程" + Thread.currentThread().getId());
//获取报告rpc接口逻辑
resultMap.put("baseInfo", "");
}, testThreadPool).exceptionally(e -> {
System.out.println(e.getMessage());
return null;
});3.1.2 异步回调
CompletableFuture可以在任务处理结束异步回调，主要提供了以下回调方法：
//当上一个任务执行结束时，回调方法接收上一段任务执行结果或异常，返回上一段任务结果
CompletableFuture whenComplete(BiConsumer... cfs)
//某个任务执行结束即返回
static CompletableFuture anyOf(CompletableFuture... cfs)在上述获取商详单示例中，可以使用thenAcceptAsync在获取商品基础信息后异步获取优惠信息，如下代码。
CompletableFuture productBaseInfoFuture = CompletableFuture.runAsync(() -> {
ProductInfoDTO base = new ProductInfoDTO();
BaseInfoDTO baseInfoDTO = rpcxx;
resultDTO.setBaseInfoDTO(baseInfoDTO);
}, testThreadPool).thenAcceptAsync(() -> {
CouponInfoDTO couponInfoDTO = rpcxx;
resultDTO.setCouponInfoDTO(couponInfoDTO);
}, testThreadPool);返回结果：
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3.2 示例场景的解决方案
通过上述分析，可以将获取商品详情页的步骤分为三步，分别为：
因为多任务异步并行执行，最终耗时将取决于耗时最长的链路。如下图所示：
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代码示例：
ExecutorService testThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
ResultDTO resultDTO = new ResultDTO();
//基础信息
CompletableFuture productBaseInfoFuture = CompletableFuture.runAsync(() -> {
BaseInfoDTO baseInfoDTO = rpcxx;
resultDTO.setBaseInfoDTO(baseInfoDTO);
}, testThreadPool);
//优惠信息
CompletableFuture couponInfoFuture = productBaseInfoFuture.thenAcceptAsync(() -> {
CouponInfoDTO couponInfoDTO = rpcxx;
resultDTO.setCouponInfoDTO(couponInfoDTO);
}, testThreadPool);
//验机评估报告信息
CompletableFuture qcInfoFuture = CompletableFuture.runAsync(() -> {
QcInfoDTO qcInfoDTO = rpcxx;
resultDTO.setQcInfoDTO(qcInfoDTO);
}, testThreadPool);
//门店信息
CompletableFuture storeInfoFuture = CompletableFuture.runAsync(() -> {
StoreInfoDTO storeInfoDTO = rpcxx;
resultDTO.setStoreInfoDTO(storeInfoDTO);
}, testThreadPool);
//标品参数信息
CompletableFuture spuInfoFuture = CompletableFuture.runAsync(() -> {
SpuInfoDTO spuInfoDTO = rpcxx;
resultDTO.setSpuInfoDTO(spuInfoDTO);
}, testThreadPool);
//组装结果
CompletableFuture allQuery = CompletableFuture.allOf(couponInfoFuture, qcInfoFuture, storeInfoFuture, spuInfoFuture);
CompletableFuture buildFuture = allQuery.thenAcceptAsync((result) -> {
//组装逻辑
return null;
}).join();以上即为获取门店商品详情页异步编排的实现逻辑，但也发现，该方案创建多个异步任务，执行逻辑不一样但流程大致相同，类似的代码重复写多遍，不便于扩展和阅读。
在此基础上可以优化为使用CompletableFuture+简单工厂+策略模式，将上述步骤中的每个模块都作为策略handler，且策略之间有权重依赖关系，模块类型作为工厂类型，将模块类型放进列表中，使用CompletableFuture.allOf()异步执行列表中的任务。
伪代码如下：
List eventList = Arrays.asList("xx", "xxx");
CompletableFuture.allOf(eventList.stream().map(event ->
CompletableFuture.runAsync(() -> {
//通过工厂类型获取策略实现handler
if (Objects.nonNull(handler)) {
//如果存在则执行
}
}, testThreadPool)).toArray(CompletableFuture[]::new)).join();3.3 实际应用效果
最终转转门店商详页接口重构采用CompletableFuture+简单工厂+策略模式的方案，解耦堆叠的代码块，使功能更易扩展，可阅读性更高，在重构代码上线后，效果明显。
4 总结
以上就是关于使用CompletableFuture进行异步编程的全部内容，在此基础上我们还要注意以下几点：
- 当有多个任务可以异步并行执行时，使用CompletableFuture，任务越多效果越明显；
- 使用CompletableFuture可以将多个任务串联执行，也可以利用组合方式将任务排列由列表变成树结构；
- 在使用集合接收多线程处理任务的结果时，需要考虑线程安全问题；
- 当任务执行有相互依赖关系时，需考虑任务超时主动结束，避免系统block。
5 参考资料
- https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/CompletableFuture.html
- https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/CompletionStage.html
