這篇文章介紹 Java 8 的 CompletionStage API和它的標准庫的實現 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，最終會產生一個最終結果，這意味着幾個CompletionStage可以串聯起來，一個完成的階段可以觸發下一階段的執行，接着觸發下一次，接着……
除了實現CompletionStage接口， CompletableFuture也實現了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。
1、 創建一個完成的CompletableFuture
最簡單的例子就是使用一個預定義的結果創建一個完成的CompletableFuture,通常我們會在計算的開始階段使用它。
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static void completedFutureExample() {
CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture(
"message");
assertTrue(cf.isDone());
assertEquals(
"message", cf.getNow(null));
}
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getNow(null)方法在future完成的情況下會返回結果，就比如上面這個例子，否則返回null (傳入的參數)。
2、運行一個簡單的異步階段
這個例子創建一個一個異步執行的階段：
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static void runAsyncExample() {
CompletableFuture cf = CompletableFuture.runAsync(() -> {
assertTrue(Thread.currentThread().isDaemon());
randomSleep();
});
assertFalse(cf.isDone());
sleepEnough();
assertTrue(cf.isDone());
}
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通過這個例子可以學到兩件事情：
CompletableFuture的方法如果以Async結尾，它會異步的執行(沒有指定executor的情況下)， 異步執行通過ForkJoinPool實現， 它使用守護線程去執行任務。注意這是CompletableFuture的特性， 其它CompletionStage可以override這個默認的行為。
3、在前一個階段上應用函數
下面這個例子使用前面 #1 的完成的CompletableFuture， #1返回結果為字符串message,然后應用一個函數把它變成大寫字母。
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static void thenApplyExample() {
CompletableFuture cf = CompletableFuture.completedFuture(
"message").thenApply(s -> {
assertFalse(Thread.currentThread().isDaemon());
return s.toUpperCase();
});
assertEquals(
"MESSAGE", cf.getNow(null));
}
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注意thenApply方法名稱代表的行為。
then意味着這個階段的動作發生當前的階段正常完成之后。本例中，當前節點完成，返回字符串message。
Apply意味着返回的階段將會對結果前一階段的結果應用一個函數。
函數的執行會被阻塞，這意味着getNow()只有打斜操作被完成后才返回。
4、在前一個階段上異步應用函數
通過調用異步方法(方法后邊加Async后綴)，串聯起來的CompletableFuture可以異步地執行（使用ForkJoinPool.commonPool()）。
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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());
}
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5、使用定制的Executor在前一個階段上異步應用函數
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用大寫函數。
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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());
}
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6、消費前一階段的結果
如果下一階段接收了當前階段的結果，但是在計算的時候不需要返回值(它的返回類型是void)， 那么它可以不應用一個函數，而是一個消費者， 調用方法也變成了thenAccept:
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static void thenAcceptExample() {
StringBuilder result =
new StringBuilder();
CompletableFuture.completedFuture(
"thenAccept message")
.thenAccept(s -> result.append(s));
assertTrue(
"Result was empty", result.length() > 0);
}
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本例中消費者同步地執行，所以我們不需要在CompletableFuture調用join方法。
7、異步地消費遷移階段的結果
同樣，可以使用thenAcceptAsync方法， 串聯的CompletableFuture可以異步地執行。
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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);
}
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8、完成計算異常
現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，第一個參數傳入大寫函數， executor是一個delayed executor,在執行前會延遲一秒。
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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());
}
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讓我們看一下細節。
首先我們創建了一個CompletableFuture, 完成后返回一個字符串message,接着我們調用thenApplyAsync方法，它返回一個CompletableFuture。這個方法在第一個函數完成后，異步地應用轉大寫字母函數。
這個例子還演示了如何通過delayedExecutor(timeout, timeUnit)延遲執行一個異步任務。
我們創建了一個分離的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。 在階段上調用join方法，它會執行大寫轉換，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行就完成了異常）， 然后它觸發了handler階段。
9、取消計算
和完成異常類似，我們可以調用cancel(boolean mayInterruptIfRunning)取消計算。對於CompletableFuture類，布爾參數並沒有被使用，這是因為它並沒有使用中斷去取消操作，相反，cancel等價於completeExceptionally(new CancellationException())。
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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());
}
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10、在兩個完成的階段其中之一上應用函數
下面的例子創建了CompletableFuture, applyToEither處理兩個階段， 在其中之一上應用函數(包保證哪一個被執行)。 本例中的兩個階段一個是應用大寫轉換在原始的字符串上， 另一個階段是應用小些轉換。
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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"));
}
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11、在兩個完成的階段其中之一上調用消費函數
和前一個例子很類似了，只不過我們調用的是消費者函數 (Function變成Consumer):
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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"));
}
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12、在兩個階段都執行完后運行一個 Runnable
這個例子演示了依賴的CompletableFuture如果等待兩個階段完成后執行了一個Runnable。 注意下面所有的階段都是同步執行的，第一個階段執行大寫轉換，第二個階段執行小寫轉換。
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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);
}
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13、 使用BiConsumer處理兩個階段的結果
上面的例子還可以通過BiConsumer來實現:
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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());
}
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14、使用BiFunction處理兩個階段的結果
如果CompletableFuture依賴兩個前面階段的結果， 它復合兩個階段的結果再返回一個結果，我們就可以使用thenCombine()函數。整個流水線是同步的，所以getNow()會得到最終的結果，它把大寫和小寫字符串連接起來。
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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));
}
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15、異步使用BiFunction處理兩個階段的結果
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行，所以thenCombine()也異步地執行，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方法等待結果的完成。
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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());
}
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16、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(大寫轉換)， 它的結果傳給一個指定的返回CompletableFuture函數，它的結果就是返回的CompletableFuture的結果。
有點拗口，但是我們看例子來理解。函數需要一個大寫字符串做參數，然后返回一個CompletableFuture, 這個CompletableFuture會轉換字符串變成小寫然后連接在大寫字符串的后面。
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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());
}
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17、當幾個階段中的一個完成，創建一個完成的階段
下面的例子演示了當任意一個CompletableFuture完成后， 創建一個完成的CompletableFuture.
待處理的階段首先創建， 每個階段都是轉換一個字符串為大寫。因為本例中這些階段都是同步地執行(thenApply), 從anyOf中創建的CompletableFuture會立即完成，這樣所有的階段都已完成，我們使用whenComplete(BiConsumer<? super Object, ? super Throwable> action)處理完成的結果。
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static void anyOfExample() {
StringBuilder result =
new StringBuilder();
List messages = Arrays.asList(
"a", "b", "c");
List<CompletableFuture> 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);
}
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18、當所有的階段都完成后創建一個階段
上一個例子是當任意一個階段完成后接着處理，接下來的兩個例子演示當所有的階段完成后才繼續處理, 同步地方式和異步地方式兩種。
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static void allOfExample() {
StringBuilder result =
new StringBuilder();
List messages = Arrays.asList(
"a", "b", "c");
List<CompletableFuture> 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);
}
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19、當所有的階段都完成后異步地創建一個階段
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行。所以我們需要調用join方法等待它完成。
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static void allOfAsyncExample() {
StringBuilder result =
new StringBuilder();
List messages = Arrays.asList(
"a", "b", "c");
List<CompletableFuture> 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);
}
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20、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:
現在你已經了解了CompletionStage 和 CompletableFuture 的一些函數的功能，下面的例子是一個實踐場景：
- 首先異步調用
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調用) - 當所有的汽車填好評分后，我們結束這個列表，所以我們調用
allOf得到最終的階段， 它在前面階段所有階段完成后才完成。 - 在最終的階段調用
whenComplete(),我們打印出每個汽車和它的評分。
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cars().thenCompose(cars -> {
List<CompletionStage> 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();
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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行，這會提高系統的性能(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)。