项目实战--JUC之CompletableFuture温故

容若只如初见2024-07-29 12:35

CompletableFuture温故

  • 一、前言
  • 二、Future
  • 三、CompletableFuture
    • [3.1 CompletableFuture定义](#3.1 CompletableFuture定义)
    • [3.2 CompletableFuture使用场景](#3.2 CompletableFuture使用场景)
    • [3.3 CompletableFuture 常见操作](#3.3 CompletableFuture 常见操作)
      • [3.3.1 创建CompletableFuture](#3.3.1 创建CompletableFuture)
      • [3.3.2 使用CompletableFuture](#3.3.2 使用CompletableFuture)
      • [3.3.3 异常处理](#3.3.3 异常处理)
      • [3.3.4 注意事项](#3.3.4 注意事项)
  • 四、CompletableFuture处理工具类
  • 五、异步化收益

一、前言

最近项目上线完成，但随着用户增加和金融产品买卖量持续上升，算法取数接口的特征工程计算作为推荐系统的核心环节，对系统吞吐量的要求越来越高，对内调度各个数据源取数服务获取数据进行聚合，具有鲜明的I/O密集型（I/O Bound）特点。从而将同步加载改为并行加载的可行性方案。

下面就从一个简单案例讲起。

项目开发中有很常见的逻辑：一个接口可能需要调用多个其他服务的接口。例如：用户请求获取订单信息，可能需要调取用户信息、商品详情、物流信息、商品推荐等接口，最后汇总处理数据统一返回：

java 复制代码 
public class OrderServiceImpl im OrderService{
	 @Autowired
    private UserService userService; // 用于获取用户信息
 
    @Autowired
    private ProductService productService; // 用于获取商品详情
 
    @Autowired
    private LogisticsService logisticsService; // 用于获取物流信息
    
	@Autowired
    private relService relService; // 商品推荐信息
	
	 public OrderDTO getOrderInfo(Long orderId) {
	    // 假设这里从数据库获取订单信息
        Order order = getOrderFromDatabase(orderId);
        OrderDTO orderDTO = new OrderDTO();
        BeanUtils.copyProperties(order, orderDTO);
		 // 获取并设置用户信息
        orderDTO.setUser(userService.getUserById(order.getUserId()));
        // 耗时任务：获取并设置商品详情
        orderDTO.setProducts(productService.getProductsByIds(order.getProductIds()));
        // 获取并设置物流信息
        orderDTO.setLogistics(logisticsService.getLogisticsInfo(order.getLogisticsNumber()));
        // 耗时任务：推荐商品，召回客户
        orderDTO.setRel(relService.recall(orderId));
 		return orderDTO;
	 }
}

栗子中是串行（按顺序依次执行）执行任务，接口的响应速度非常慢。

这些接口之间的数据请求大多是无前后顺序关联 的，可并行执行 ，例如调用获取商品详情的时候，可同时调用获取物流信息。并行执行多个任务，接口的响应速度就可提升。

对于有顺序执行的任务，可进行任务编排，例如：

  • 获取用户信息之后，才能调用商品详情和物流信息接口。
  • 成功获取商品详情和物流信息之后，才能调用商品推荐接口。

    故需要使用异步编程工具帮助实现多个任务的编排。

二、Future

在Java8之前一般通过Future实现异步，主要用于需要执行耗时任务的场景，避免程序一直等待耗时任务执行完成，导致执行效率太低问题。

但只能通过阻塞或者轮询的方式获取结果，获取计算结果的 get() 方法为阻塞调用，而且不支持设置回调方法，不支持异步任务的编排组合，Java8之前若要设置回调，通常使用guava的ListenableFuture，又会导致回调地狱，加深阅读和实现的难度。

例如使用ListenableFuture实现（回调地狱）：三个操作step1、step2、step3存在依赖关系，其中step3的执行依赖step1和step2的结果

java 复制代码 
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);

ListeningExecutorService guavaExecutor = MoreExecutors.listeningDecorator(executor);

ListenableFuture<String> future1 = guavaExecutor.submit(() -> {
    //step 1
    System.out.println("执行step 1");
    return "step1 result";
});

ListenableFuture<String> future2 = guavaExecutor.submit(() -> {
    //step 2
    System.out.println("执行step 2");
    return "step2 result";
});

ListenableFuture<List<String>> future1And2 = Futures.allAsList(future1, future2);

Futures.addCallback(future1And2, new FutureCallback<List<String>>() {
    @Override
    public void onSuccess(List<String> result) {
        System.out.println(result);
        
        ListenableFuture<String> future3 = guavaExecutor.submit(() -> {
            System.out.println("执行step 3");
            return "step3 result";
        });
        
        Futures.addCallback(future3, new FutureCallback<String>() {
            @Override
            public void onSuccess(String result) {
                System.out.println(result);
            }        
            @Override
            public void onFailure(Throwable t) {
            }
        }, guavaExecutor);
    }

    @Override
    public void onFailure(Throwable t) {
    }}, guavaExecutor);

而使用CompletableFuture实现：

java 复制代码 
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);

CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("执行step 1");
    return "step1 result";
}, executor);

CompletableFuture<String> cf2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("执行step 2");
    return "step2 result";
});

cf1.thenCombine(cf2, (result1, result2) -> {
    System.out.println(result1 + " , " + result2);
    System.out.println("执行step 3");
    return "step3 result";
}).thenAccept(System.out::println);

显然，CompletableFuture的实现更为简洁，可读性更好，无需引入外部依赖。

三、CompletableFuture

ompletableFuture对Future进行扩展，可通过设置回调的方式处理计算结果，同时也支持组合操作，支持进一步的编排，一定程度解决回调地狱问题。

3.1 CompletableFuture定义

CompletableFuture 类的定义：

java 复制代码 
public class CompletableFuture<T> implements Future<T>, CompletionStage<T> {
}

CompletableFuture实现两个接口（如图）：Future、CompletionStage。Future表示异步计算的结果，CompletionStage用于表示异步执行过程中的一个步骤（Stage），这个步骤可能是由另一个CompletionStage触发的，若当前步骤的完成，也可能会触发其他一系列CompletionStage的执行。从而可以根据实际业务对这些步骤进行多样化的编排组合。

Future 接口有 5 个方法：

java 复制代码 
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：尝试取消执行任务。
boolean isCancelled()：判断任务是否被取消。
boolean isDone()：判断任务是否已经被执行完成。
get()：等待任务执行完成并获取运算结果。
get(long timeout, TimeUnit unit)：多一个超时时间。

CompletionStage 接口中的方法比较多，CompletableFuture 的函数式能力就是这个接口赋予的。

3.2 CompletableFuture使用场景

  • IO密集型操作：如数据库操作、文件读写、网络请求等，可使用 CompletableFuture 异步执行，避免阻塞主线程。
  • 计算密集型操作：如果计算可以在不同的线程中并行执行，使用 CompletableFuture 可以提高计算效率。
  • 异步编程模式：在需要处理多个异步操作的结果，并且这些操作之间存在依赖关系时，CompletableFuture 可提供解决方案。

3.3 CompletableFuture 常见操作

3.3.1 创建CompletableFuture

创建 CompletableFuture 对象的方法：

  • 通过 new 关键字。
java 复制代码 
CompletableFuture<Result<T>> resultFuture = new CompletableFuture<>();
// 在某些条件下手动完成Future
if (checkCondition()) {
    // complete() 方法只能调用一次，后续调用将被忽略。
	resultFuture.complete(rpcResponse);
	rpcResponse = completableFuture.get();
}
  • 基于 CompletableFuture 自带的静态工厂方法：runAsync()、supplyAsync() 。
java 复制代码 
// supplyAsync()方法需要一个Supplier函数接口，通常用于执行异步计算。
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 模拟耗时的计算
    simulateTask("数据加载中");
    return "结果";
});


//runAsync()方法接受一个Runnable函数接口，不返回任何结果。不关心异步任务的结果，只想执行一个异步操作
CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
    simulateTask("正在执行一些处理");
});


// 也可用自定义线程池执行任务
ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(2, 4, 3,
                TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(3),
                new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy());
CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println("Hello World!"), pool);

3.3.2 使用CompletableFuture

1、组合调用：CompletableFuture的组合能力。假设有两个独立的异步任务，组合使用：

java 复制代码 
ompletableFuture<User> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
	// 加载用户数据
    return  userService.getUserInfo(userId);
});

CompletableFuture<Product> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 获取用户购买的产品
    return productService.getUserBuyProd(userId);
});

// 组合两个future，等待它们都完成
CompletableFuture<String> combinedFuture = future1.thenCombine(future2, (user, product) -> {
    return "组合处理结果: " + user::getId + "购买产品：" + product::getProdName;
});

combinedFuture.thenAccept(System.out::println);

// 若一个异步操作依赖于另一个异步操作的结果
CompletableFuture<String> masterFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    simulateTask("获取主数据");
    return "主数据结果";
});

CompletableFuture<String> dependentFuture = masterFuture.thenCompose(result -> {
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        simulateTask("处理依赖于" + result + "的数据");
        return "处理后的数据";
    });
});



// 需要等所有操作都完成后再进行下一步
CompletableFuture<Void> allFutures = CompletableFuture.allOf(future1, future2);

allFutures.thenRun(() -> {
    System.out.println("所有任务完成");
});

2、链式调用：把系列操作依次执行，前一个操作的结果作为下一个操作的输入。

CompletableFuture支持多种链式调用方法，比如thenApply, thenAccept和thenRun。

java 复制代码 
thenApply()用于处理和转换CompletableFuture的结果。
thenAccept()用于消费CompletableFuture的结果，不返回新的CompletableFuture。
thenRun()则不关心前一个任务的结果，只是在前一个任务执行完后，执行一些后续操作。
java 复制代码 
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    simulateTask("查询数据库");
    return "查询结果";
});

future.thenApply(result -> {
    // 对结果进行处理
    return "处理后的结果：" + result;
}).thenAccept(processedResult -> {
    // 消费处理后的结果
    System.out.println("最终结果：" + processedResult);
}).thenRun(() -> {
    // 执行一些不需要前一个结果的操作
    System.out.println("所有操作完成");
});

用supplyAsync启动一个异步任务来查询数据库。然后用thenApply处理查询结果，用thenAccept消费处理后的结果，最后用thenRun标记所有操作完成。

3.3.3 异常处理

1、基本异常处理：抛出异常，exceptionally方法就会被调用，返回一个包含错误信息的回退结果。

java 复制代码 
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    if (new Random().nextBoolean()) {
        throw new RuntimeException("出错啦!");
    }
    return "正常结果";
}).exceptionally(ex -> {
    return "错误的回退结果：" + ex.getMessage();
});

future.thenAccept(System.out::println);

2、细粒度异常处理：无论异步操作是成功还是失败，handle方法都会被调用。如果有异常，它会处理异常；如果没有，就处理正常结果。

java 复制代码 
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    if (new Random().nextBoolean()) {
        throw new RuntimeException("出错啦!");
    }
    return "正常结果";
}).handle((result, ex) -> {
    if (ex != null) {
        return "处理异常：" + ex.getMessage();
    }
    return "处理结果：" + result;
});

future.thenAccept(System.out::println);

3、管道式异常处理：把多个异步操作链接起来，并在链的任意位置处理异常。

java 复制代码 
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 第一个异步操作
    return "第一步结果";
}).thenApply(result -> {
    // 第二个异步操作，可能会出错
    throw new RuntimeException("第二步出错啦!");
}).exceptionally(ex -> {
    // 处理异常
    return "在第二步捕获异常：" + ex.getMessage();
}).thenApply(result -> {
    // 第三个异步操作
    return "第三步使用结果：" + result;
});

future.thenAccept(System.out::println);

4、组合异步操作时的错误处理

当组合多个CompletableFuture时，需对每一个Future都进行错误处理。避免一个未捕获的异常破坏整个操作链。

java 复制代码 
CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "任务1").exceptionally(ex -> "默认值1");
CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "任务2").exceptionally(ex -> "默认值2");

CompletableFuture<String> combinedFuture = future1.thenCombine(future2, (result1, result2) -> result1 + " 和 " + result2);

3.3.4 注意事项

1、避免过多的链式调用

过度使用可能会导致代码难以理解和维护。建议把复杂的逻辑分解成多个方法或类：

java 复制代码 
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "原始数据")
    .thenApply(this::step1)
    .thenApply(this::step2)
    .thenApply(this::step3);

// 将每个步骤的逻辑封装在不同的方法中
private String step1(String data) {
    return "处理1：" + data;
}

private String step2(String data) {
    return "处理2：" + data;
}

private String step3(String data) {
    return "处理3：" + data;
}

2、谨慎处理阻塞操作

若CompletableFuture链中包含阻塞调用，如数据库操作或文件I/O，最好将这些操作放在独立的线程池中，避免阻塞ForkJoinPool中的线程。

java 复制代码 
ExecutorService dbExecutor = Executors.newCachedThreadPool();

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
    // 这里是阻塞的数据库操作
    simulateTask("数据库操作");
}, dbExecutor);

// 或者
private ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(10, 10,
        0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
        new LinkedBlockingQueue<Runnable>());

CompletableFuture.runAsync(() -> {
   //...
}, executor);

3、尽量避免使用 get()

CompletableFuture的get()方法是阻塞的，尽量避免使用。如果必须要使用的话，需要添加超时时间，否则可能会导致主线程一直等待，无法执行其他任务。

java 复制代码 
 CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        try {
            Thread.sleep(10_000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "Hello, world!";
    });

    // 获取异步任务的返回值，设置超时时间为 5 秒
    try {
        String result = future.get(5, TimeUnit.SECONDS);
        System.out.println(result);
    } catch (InterruptedException | ExecutionException | TimeoutException e) {
        // 处理异常
        e.printStackTrace();
    }
}

四、CompletableFuture处理工具类

java 复制代码 
/**
 * CompletableFuture封装工具类
 */
@Slf4j
public class FutureUtils {
/**
 * 该方法为美团内部rpc注册监听的封装，可以作为其他实现的参照
 * OctoThriftCallback 为thrift回调方法
 * ThriftAsyncCall 为自定义函数，用来表示一次thrift调用（定义如上）
 */
public static <T> CompletableFuture<T> toCompletableFuture(final OctoThriftCallback<?,T> callback , ThriftAsyncCall thriftCall) {
    CompletableFuture<T> thriftResultFuture = new CompletableFuture<>();
    callback.addObserver(new OctoObserver<T>() {
        @Override
        public void onSuccess(T t) {
            thriftResultFuture.complete(t);
        }
        @Override
        public void onFailure(Throwable throwable) {
            thriftResultFuture.completeExceptionally(throwable);
        }
    });
    if (thriftCall != null) {
        try {
            thriftCall.invoke();
        } catch (TException e) {
            thriftResultFuture.completeExceptionally(e);
        }
    }
    return thriftResultFuture;
}
  /**
   * 设置CF状态为失败
   */
  public static <T> CompletableFuture<T> failed(Throwable ex) {
   CompletableFuture<T> completableFuture = new CompletableFuture<>();
   completableFuture.completeExceptionally(ex);
   return completableFuture;
  }
  /**
   * 设置CF状态为成功
   */
  public static <T> CompletableFuture<T> success(T result) {
   CompletableFuture<T> completableFuture = new CompletableFuture<>();
   completableFuture.complete(result);
   return completableFuture;
  }
  /**
   * 将List<CompletableFuture<T>> 转为 CompletableFuture<List<T>>
   */
  public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequence(Collection<CompletableFuture<T>> completableFutures) {
   return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
           .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                   .map(CompletableFuture::join)
                   .collect(Collectors.toList())
           );
  }
  /**
   * 将List<CompletableFuture<List<T>>> 转为 CompletableFuture<List<T>>
   * 多用于分页查询的场景
   */
  public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequenceList(Collection<CompletableFuture<List<T>>> completableFutures) {
   return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
           .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                   .flatMap( listFuture -> listFuture.join().stream())
                   .collect(Collectors.toList())
           );
  }
  /*
   * 将List<CompletableFuture<Map<K, V>>> 转为 CompletableFuture<Map<K, V>>
   * @Param mergeFunction 自定义key冲突时的merge策略
   */
  public static <K, V> CompletableFuture<Map<K, V>> sequenceMap(
       Collection<CompletableFuture<Map<K, V>>> completableFutures, BinaryOperator<V> mergeFunction) {
   return CompletableFuture
           .allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
           .thenApply(v -> completableFutures.stream().map(CompletableFuture::join)
                   .flatMap(map -> map.entrySet().stream())
                   .collect(Collectors.toMap(Entry::getKey, Entry::getValue, mergeFunction)));
  }
  /**
   * 将List<CompletableFuture<T>> 转为 CompletableFuture<List<T>>，并过滤调null值
   */
  public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequenceNonNull(Collection<CompletableFuture<T>> completableFutures) {
   return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
           .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                   .map(CompletableFuture::join)
                   .filter(e -> e != null)
                   .collect(Collectors.toList())
           );
  }
  /**
   * 将List<CompletableFuture<List<T>>> 转为 CompletableFuture<List<T>>，并过滤调null值
   * 多用于分页查询的场景
   */
  public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequenceListNonNull(Collection<CompletableFuture<List<T>>> completableFutures) {
   return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
           .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                   .flatMap( listFuture -> listFuture.join().stream().filter(e -> e != null))
                   .collect(Collectors.toList())
           );
  }
  /**
   * 将List<CompletableFuture<Map<K, V>>> 转为 CompletableFuture<Map<K, V>>
   * @Param filterFunction 自定义过滤策略
   */
  public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequence(Collection<CompletableFuture<T>> completableFutures,
                                                     Predicate<? super T> filterFunction) {
   return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
           .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                   .map(CompletableFuture::join)
                   .filter(filterFunction)
                   .collect(Collectors.toList())
           );
  }
  /**
   * 将List<CompletableFuture<List<T>>> 转为 CompletableFuture<List<T>>
   * @Param filterFunction 自定义过滤策略
   */
  public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequenceList(Collection<CompletableFuture<List<T>>> completableFutures,
                                                         Predicate<? super T> filterFunction) {
   return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
           .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                   .flatMap( listFuture -> listFuture.join().stream().filter(filterFunction))
                   .collect(Collectors.toList())
           );
  }
/**
 * 将CompletableFuture<Map<K,V>>的list转为 CompletableFuture<Map<K,V>>。 多个map合并为一个map。 如果key冲突，采用新的value覆盖。
 */
  public static <K, V> CompletableFuture<Map<K, V>> sequenceMap(
       Collection<CompletableFuture<Map<K, V>>> completableFutures) {
   return CompletableFuture
           .allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
           .thenApply(v -> completableFutures.stream().map(CompletableFuture::join)
                   .flatMap(map -> map.entrySet().stream())
                   .collect(Collectors.toMap(Entry::getKey, Entry::getValue, (a, b) -> b)));
  }}

五、异步化收益

通过异步化改造，推荐系统的性能得到明显提升，与改造前对比的收益如下：

  • 核心接口吞吐量大幅提升，其中产品买卖轮询接口的TP99从865ms降为408ms。
  • 取数服务器数量减少1/3。
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