CompletableFuture 是 Java 8 引入的一个强大工具类，用于处理异步编程，它提供了流式的 API 和丰富的功能来构建复杂的异步任务。CompletableFuture 实现了 Future 接口，并增加了许多方法来简化异步计算的组合和处理。

1. CompletableFuture 的基本概念

• 异步编程：CompletableFuture 提供了多种方式来执行异步任务，包括串行执行、并行执行、完成通知等。
• 非阻塞：相对于传统的 Future，CompletableFuture 提供了一种非阻塞的机制来获取异步计算结果，通过回调机制执行后续操作，无需线程一直等待结果。
• 函数式风格：CompletableFuture 结合了函数式编程的特性，通过 thenApply、thenAccept、thenCombine 等方法，以流式 API 方式编写异步逻辑，使代码更加简洁易读。

2. CompletableFuture 的常用方法

• supplyAsync(Supplier<U> supplier)：使用默认的线程池 ForkJoinPool 执行异步任务并返回一个 CompletableFuture，也可以通过指定自定义线程池来执行任务。
• thenApply(Function<? super T,? extends U> fn)：当 CompletableFuture 完成后，对结果进行处理，并返回新的 CompletableFuture。
• thenAccept(Consumer<? super T> action)：当 CompletableFuture 完成后，消费计算的结果，无返回值。
• thenCombine(CompletionStage<? extends U> other, BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn)：两个 CompletableFuture 完成后，对它们的结果进行合并。
• exceptionally(Function<Throwable, ? extends T> fn)：处理 CompletableFuture 任务中的异常情况。

示例代码：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class CompletableFutureExample {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService customExecutor = Executors.newFixedThreadPool(3);

        CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is executing task...");
            return 42;
        }, customExecutor).thenApply(result -> {
            System.out.println("Applying function to result: " + result);
            return result * 2;
        }).exceptionally(ex -> {
            System.err.println("Exception occurred: " + ex.getMessage());
            return -1;
        });

        future.thenAccept(result -> System.out.println("Final result: " + result));
    }
}

在这个例子中，CompletableFuture 被用于异步地计算一个任务，并对其结果进行进一步处理。此示例中使用了自定义线程池 customExecutor 来执行异步任务。

3. CompletableFuture 的执行机制

• 默认线程池：CompletableFuture 的异步任务默认使用 ForkJoinPool.commonPool()，也可以使用自定义的线程池来执行任务。
• 任务依赖链：CompletableFuture 允许任务形成依赖链，通过 thenApply、thenCompose 等方法将多个任务串联起来执行，这种依赖链会保证任务的顺序执行。
• 组合多个任务：通过方法如 thenCombine、allOf、anyOf，CompletableFuture 可以将多个异步任务组合在一起，实现复杂的任务协作。

4. CompletableFuture 的内部实现与源码分析

• CompletableFuture 的数据结构：
  • CompletableFuture 内部通过一个 volatile 修饰的 Object result 来保存任务的结果或异常。
  • Stack：当一个 CompletableFuture 需要执行多个回调任务时，这些回调被存储在一个栈中，确保按顺序执行。
• 异步任务的提交：当调用 supplyAsync() 或 runAsync() 时，任务会被提交到一个线程池中，默认是 ForkJoinPool，也可以指定自定义的线程池。
• 任务的完成与回调：当一个 CompletableFuture 完成时，会调用 complete() 方法，通知所有注册的回调任务执行。源码中的 signallers() 方法用于遍历并唤醒等待的任务，确保它们能够及时执行。

4.1 thenApply 方法源码分析

• thenApply() 方法：thenApply() 是用于在上一个任务完成后，对结果进行进一步处理并返回新的 CompletableFuture。

  public <U> CompletableFuture<U> thenApply(Function<? super T, ? extends U> fn) {
      return uniApplyStage(null, fn);
  }
  
  private <U> CompletableFuture<U> uniApplyStage(Executor e, Function<? super T, ? extends U> fn) {
      if (fn == null) throw new NullPointerException();
      CompletableFuture<U> d = new CompletableFuture<>();
      if (e != null || !d.uniApply(this, fn, null)) {
          UniApply<T,U> c = new UniApply<>(e, d, this, fn);
          push(c);
          c.tryFire(SYNC);
      }
      return d;
  }
  

  • uniApplyStage()：用于创建一个新的 CompletableFuture，并注册一个回调函数来处理上一个任务的结果。
  • push()：将回调任务压入栈中，以确保任务的有序执行。

5. CompletableFuture 的应用场景

• 异步请求处理：在 Web 服务中，可以使用 CompletableFuture 进行异步请求处理，提升系统的吞吐量和响应速度。
• 复杂任务的并行执行：CompletableFuture 通过 thenCombine、allOf 等方法，将多个独立的任务并行执行并合并结果，例如同时请求多个 API 并在全部完成后处理结果。
• 任务重试与异常处理：exceptionally 和 handle 方法可以帮助开发者处理异步任务中的异常情况，实现任务重试机制。

6. CompletableFuture 的优缺点

• 优点：
  • 简化异步编程：通过流式 API，简化了异步任务的管理，代码更加简洁和易读。
  • 丰富的组合功能：提供了多种方法来组合和管理异步任务，如 thenCombine、allOf 等。
  • 非阻塞：通过回调机制实现非阻塞的异步编程，提高了程序的性能。
• 缺点：
  • 调试困难：由于异步任务的执行顺序不确定，调试和定位问题可能比较困难。
  • 线程池选择：默认的 ForkJoinPool 在某些场景中可能不合适，尤其是在 CPU 密集型任务中，容易导致线程竞争和性能下降。

7. 总结

CompletableFuture 是 Java 并发编程中的重要工具，通过丰富的 API 提供了灵活的异步任务管理方式。与传统的 Future 不同，CompletableFuture 结合了函数式编程的优点，使得开发者可以通过流式的方式来构建和管理异步任务。理解 CompletableFuture 的原理和应用场景，可以帮助开发者在多线程环境中编写更加高效、健壮的异步代码。