1. 引言

在现代 Java 应用程序开发中，异步编程已经成为提升系统性能和用户体验的重要手段。CompletableFuture 作为 Java 8 引入的异步编程工具，不仅提供了 Future 接口的增强版本，还支持函数式编程，使得异步任务的编排和组合变得更加灵活和直观。本文将深入探讨 CompletableFuture 的各种应用场景，帮助你更好地掌握这个强大的工具。

2. 基础概念

2.1 为什么需要CompletableFuture？

传统的Future接口存在以下局限性：

无法手动完成计算
不支持异步任务的编排和组合
无法处理计算过程中的异常
无法设置回调函数

CompletableFuture 通过提供丰富的 API 解决了这些问题，成为了异步编程的首选工具。

3. 核心应用场景

3.1 异步执行任务

最基本的场景是异步执行一个任务：

public class AsyncExecution {
    public String asyncOperation() {
        CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 模拟耗时操作
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            return "操作完成";
        });

        return "无需等待";
    }
}

3.2 任务编排和组合

CompletableFuture 提供了多种方法来组合异步任务：

    @SneakyThrows
    public void combineTasks() {
        // 创建两个异步任务 future1 和 future2，分别返回字符串 "Hello" 和 "World"
        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
        CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "World");

        // 使用 thenCombine 方法将两个异步任务的结果合并为一个字符串 "Hello World"
        CompletableFuture<String> combined = future1
                .thenCombine(future2, (result1, result2) -> result1 + " " + result2);

        // 使用 get() 方法等待并获取合并后的结果，并打印出来。
        combined.thenAccept(System.out::println);
    }

组合结果

    public void chainTasks() {
        // 使用CompletableFuture的supplyAsync方法异步执行第一个任务，任务结果为"步骤1"
        CompletableFuture.supplyAsync(() -> "步骤1")
                // 使用thenApply方法将前一个任务的结果与" -> 步骤2"拼接，表示第二个任务
                .thenApply(result -> result + " -> 步骤2")
                .thenApply(result -> result + " -> 步骤3")
                // 使用thenAccept方法消费最终结果，这里只是简单地打印出来
                .thenAccept(System.out::println);
    }

3.3 异常处理

优雅的异常处理是CompletableFuture的一大特色：

    public void handleErrors() {
        // 创建一个CompletableFuture，用于执行异步操作
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 模拟一个可能失败的操作
            if (Math.random() < 0.5) {
                // 如果操作失败，抛出运行时异常
                throw new RuntimeException("操作失败");
            }
            // 如果操作成功，返回成功信息
            return "操作成功";
        }).exceptionally(throwable -> {
            // 处理由前一个阶段（如 supplyAsync、thenApply 等）抛出的异常。
            return "发生错误：" + throwable.getMessage();
        }).handle((result, throwable) -> {
            // 处理所有异常，包括前一个阶段抛出的异常以及后续链式调用中抛出的异常
            if (throwable != null) {
                // 如果有异常，处理异常并返回处理信息
                return "处理异常：" + throwable.getMessage();
            }
            // 如果没有异常，直接返回结果
            return result;
        });

        // 当future完成时，接受其结果并进行处理
        future.thenAccept(System.out::println);
    }

异常处理

3.4 超时控制

在实际应用中，超时控制非常重要，orTimeout() 需要 Java 9+支持：

    @SneakyThrows
    public void getWithTimeout() {
        CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                    // 模拟耗时操作
                    try {
                        Thread.sleep(2000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                    return "操作结果";
                })
                // 设置超时时间为1秒，如果超过1秒未完成任务，则抛出CompletionException异常
                .orTimeout(1, TimeUnit.SECONDS)
                // 获取异步操作结果，可能抛出InterruptedException或ExecutionException异常，故使用@SneakyThrows注解理这些异常
                .get();
    }

超时控制

3.5 并行任务处理

当需要并行执行多个任务时：

    public void executeParallel() {
        // 创建并初始化一个包含三个异步任务的列表
        List<CompletableFuture<String>> futures = Arrays.asList(
                CompletableFuture.supplyAsync(() -> "任务1"),
                CompletableFuture.supplyAsync(() -> "任务2"),
                CompletableFuture.supplyAsync(() -> "任务3")
        );

        // 使用allOf方法等待所有任务完成，并在所有任务完成后执行特定操作
        CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[0]))
                .thenRun(() -> System.out.println("所有任务完成"));
    }

并行执行多个任务

4. 最佳实践

4.1 线程池管理

推荐使用自定义线程池而不是默认的 ForkJoinPool：

public class ThreadPoolManagement {
    private final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
  
    public CompletableFuture<String> executeWithCustomPool() {
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 执行任务
            return "使用自定义线程池";
        }, executor);
    }
}

4.2 性能优化建议

合理设置线程池大小
避免不必要的任务等待
使用合适的组合操作符
注意异常处理的性能开销

5. 实际应用场景

5.1 微服务调用

public class MicroserviceExample {
    public CompletableFuture<OrderDTO> processOrder(Long orderId) {
        // 并行启动三个异步任务，分别获取订单信息、用户信息和支付信息
        CompletableFuture<OrderInfo> orderFuture = getOrderInfo(orderId);
        CompletableFuture<UserInfo> userFuture = getUserInfo(orderId);
        CompletableFuture<PaymentInfo> paymentFuture = getPaymentInfo(orderId);
  
        // 等待所有异步任务完成，并将结果封装到OrderDTO对象中
        return CompletableFuture.allOf(orderFuture, userFuture, paymentFuture)
            .thenApply(v -> {
                OrderDTO dto = new OrderDTO();
                dto.setOrderInfo(orderFuture.join());
                dto.setUserInfo(userFuture.join());
                dto.setPaymentInfo(paymentFuture.join());
                return dto;
            });
    }
}

在微服务架构中，经常需要调用多个服务并组合结果：

5.2 异步API设计

设计异步 API 时的最佳实践：

public interface AsyncService {
    CompletableFuture<Result> asyncOperation();
  
    default Result syncOperation() {
        try {
            return asyncOperation().get(5, TimeUnit.SECONDS);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

6. 总结

CompletableFuture 是 Java 异步编程中的一个重要工具，它提供了：

丰富的 API 支持任务编排
优雅的异常处理机制
灵活的超时控制
强大的并行处理能力

合理使用 CompletableFuture 可以显著提升应用程序的性能和响应能力。在实际开发中，要根据具体场景选择合适的 API，并注意线程池管理和异常处理等最佳实践。

参考资料

Java API Documentation
《Java并发编程实战》
Spring Framework Documentation

深入理解CompletableFuture：异步编程的利器