聊聊java中的异步操作CompletableFuture

一、CompletableFuture概述

二、CompletableFuture的核心特性

异步任务的创建与执行

任务结果的链式处理

一、CompletableFuture概述

CompletableFuture 是 Java 8 引入的一个功能强大的异步编程工具，它实现了Future 和CompletionStage接口，提供了更灵活、更强大的异步任务编排能力。相比传统的Future，它支持非阻塞的链式调用和组合操作。

二、CompletableFuture的核心特性

异步任务的创建与执行

异步任务是CompletableFuture的基础单元。关键在于区分任务的发起 和结果的获取是两个独立的时机，这正是异步的本质。

java 复制代码

//最简单的异步调用，默认使用 ForkJoinPool.commonPool()
CompletableFuture<Integer> computeFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    Thread.sleep(1000);  // 模拟耗时计算
    return 42;
});

CompletableFuture底层是使用线程池帮我们去完成异步的一个调用，所以，我们也可以自定义线程池来实现异步操作。

java 复制代码

//自定义线程池
ExecutorService bizExecutor = Executors.newFixedThreadPool(5, r -> {
    Thread t = new Thread(r);
    t.setName("BizExecutor-" + t.getId());
    return t;
});

实际开发中，强烈建议始终指定自定义线程池，避免业务代码占用公共线程池影响系统稳定性。

任务结果的链式处理

这是CompletableFuture最优雅的特性，它将回调地狱转换为流畅的管道。其中有三个重要的方法

thenApply：接受输入，产生输出，实际用作转换函数
thenAccept：接受输入，无输出，作为数据的消费者
thenRun：无输入，无输出，可用作通知等操作

java 复制代码

// 电商订单处理流水线示例
CompletableFuture<Order> orderFuture = CompletableFuture
    // 阶段1：创建订单（有返回值）
    .supplyAsync(() -> orderService.createOrder(request), orderExecutor)
    
    // 阶段2：验证库存（转换结果）
    .thenApplyAsync(order -> {
        inventoryService.checkStock(order.getItems());
        return order.markAsValidated();
    }, inventoryExecutor)
    
    // 阶段3：扣减库存（消费结果，无返回）
    .thenAcceptAsync(order -> {
        inventoryService.deductStock(order.getItems());
        logger.info("库存扣减完成，订单号：{}", order.getId());
    }, inventoryExecutor)
    
    // 阶段4：发送通知（纯副作用操作）
    .thenRunAsync(() -> {
        notificationService.sendOrderCreated();
    }, notificationExecutor);

带有Async后缀 的方法(如thenApplyAsync)会在新线程中执行，而不带后缀的会在前一个任务完成的线程中执行。在IO密集型场景使用Async版本可提高并发度。

多个任务组合

现实业务中很少有单一异步任务，更多是多个任务的协同。CompletableFuture提供了丰富的组合模式。

thenCombine：等待两个都完成，然后合并
thenCompose：前一个完成后再开始下一个
allOf：等待所有（3+个）任务完成

java 复制代码

// 场景：用户详情页需要聚合多个服务的数据
public CompletableFuture<UserProfile> getUserProfile(String userId) {
    // 并行调用三个独立服务
    CompletableFuture<UserInfo> userInfoFuture = 
        userService.getUserInfoAsync(userId);
    
    CompletableFuture<List<Order>> ordersFuture = 
        orderService.getUserOrdersAsync(userId);
    
    CompletableFuture<List<Address>> addressesFuture = 
        addressService.getUserAddressesAsync(userId);
    
    // thenCombine等待两个都完成，然后合并
    CompletableFuture<UserWithOrders> userWithOrders = userInfoFuture
        .thenCombine(ordersFuture, (user, orders) -> {
            return new UserWithOrders(user, orders);
        });
    
    // thenCompose前一个完成后再开始下一个
    CompletableFuture<String> personalizedGreeting = userInfoFuture
        .thenCompose(user -> 
            greetingService.getGreetingAsync(user.getLanguage(), user.getName())
        );
    
    // allOf 等待所有（3+个）任务完成
    return CompletableFuture.allOf(
            userWithOrders, 
            addressesFuture, 
            personalizedGreeting
        )
        .thenApply(v -> {
            // 所有都完成后的聚合
            return new UserProfile(
                userWithOrders.join().getUser(),
                userWithOrders.join().getOrders(),
                addressesFuture.join(),
                personalizedGreeting.join()
            );
        });
}

这里有个要注意的点**：allOf** 本身返回的是 CompletableFuture<Void>，不包含各子任务的结果。需要像上面示例中通过 join() 或 **get()**来获取，但注意这不会导致死锁，因为此时所有子任务已确定完成。

异常处理

异步中的异常处理比同步更复杂，因为异常和业务代码在时间、空间上都是解耦的。CompletableFuture 的异常处理是功能型、非侵入式的。

java 复制代码

// 健壮的数据处理管道
CompletableFuture<Report> reportFuture = CompletableFuture
    .supplyAsync(() -> dataFetcher.fetchData(), dataExecutor)
    
    // exceptionally异常时提供降级值
    .exceptionally(ex -> {
        log.warn("数据获取失败，使用缓存", ex);
        return cacheService.getCachedData();
    })
    
    // 对数据做处理，同时捕获处理中的异常
    .thenApplyAsync(data -> {
        try {
            return dataProcessor.process(data);
        } catch (ProcessingException e) {
            throw new CompletionException("处理失败", e);
        }
    }, processExecutor)
    
    // handle统一处理成功和失败
    .handle((processedData, ex) -> {
        if (ex != null) {
            // 失败路径
            metrics.recordFailure(ex);
            return Report.errorReport("系统繁忙，请稍后重试");
        } else {
            // 成功路径
            return Report.successReport(processedData);
        }
    })
    
    // whenComplete无论成功失败都执行（类似finally）
    .whenComplete((report, ex) -> {
        // 资源清理、日志记录等
        cleanResources();
        log.info("报告生成完成，状态：{}", 
            ex == null ? "成功" : "失败");
    });

exceptionally和handle 的区别：

exceptionally：只在异常时触发，必须返回一个恢复值
handle：无论成功失败都触发，通过第二个参数判断状态

建议在异步链的末尾使用 handle或 whenComplete做统一的最终处理，而不是在每个阶段都捕获异常。

三、性能优化与注意事项

避免阻塞主线程

在Web请求线程中调用get()会阻塞整个请求

错误写法：

java 复制代码

public Result handleRequest() {
    CompletableFuture<Data> future = fetchDataAsync();
    return future.get();  // 阻塞，浪费容器线程
}

接下来展示正确写法：

java 复制代码

//完全异步
public CompletableFuture<Result> handleRequestAsync() {
    return fetchDataAsync()
        .thenApply(data -> convertToResult(data))
        .exceptionally(ex -> Result.error("处理失败"));
}

合理使用线程池资源

线程池隔离原则：不同业务、不同重要级别的任务使用不同的线程池，避免相互影响。

根据任务类型的不同配置不同的线程池参数

java 复制代码

public class ThreadPoolConfig {
    
    // CPU密集型：核心数+1
    @Bean("cpuIntensivePool")
    public ExecutorService cpuIntensivePool() {
        int coreSize = Runtime.getRuntime().availableProcessors() + 1;
        return new ThreadPoolExecutor(
            coreSize, coreSize * 2, 60L, TimeUnit.SECONDS,
            new LinkedBlockingQueue<>(1000),
            new NamedThreadFactory("cpu-pool")
        );
    }
    
    // IO密集型：可设置较大线程数
    @Bean("ioIntensivePool")  
    public ExecutorService ioIntensivePool() {
        return new ThreadPoolExecutor(
            20, 100, 60L, TimeUnit.SECONDS,
            new SynchronousQueue<>(),  // 无界队列，快速响应
            new NamedThreadFactory("io-pool")
        );
    }
    
    // 定时/超时任务：使用ScheduledExecutor
    @Bean("timeoutPool")
    public ScheduledExecutorService timeoutPool() {
        return Executors.newScheduledThreadPool(5, 
            new NamedThreadFactory("timeout-pool"));
    }
}

四、总结

CompletableFuture 不仅仅是API的增强，更是编程范式的转变。

核心价值：

声明式异步：从"如何做"到"做什么"的转变
组合式抽象：将并发复杂性封装在简洁的API之后
函数式融合：将函数式编程与并发编程结合

正确使用CompletableFuture，可以构建出既高性能又易于维护的异步系统。

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