优雅的并发编程

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优雅的并发编程

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了解CompletableFuture

CompletableFuture 是 Java 8 引入的一个类，用于支持异步编程和非阻塞操作。它提供了一种简单而强大的方式来处理异步任务，可以轻松地实现并行、非阻塞的操作，并且提供了丰富的方法来处理任务的完成状态、异常情况以及多个任务之间的串联和组合。

CompletableFuture使用场景

1. 并行处理多个独立任务：当一个任务可以被分解为多个独立的子任务时，可以使用CompletableFuture来并行执行这些子任务，从而提高系统的性能和响应速度。比如，在电商系统中，查询用户信息、订单信息、购物车信息等可以并行执行，然后在所有子任务完成后进行结果合并。
2. 异步执行耗时操作：对于一些耗时的操作，比如远程调用、数据库查询等，可以使用CompletableFuture来异步执行这些操作，避免阻塞主线程，提高系统的吞吐量和并发能力。
3. 组合多个异步任务的结果：有时候需要等待多个异步任务都完成后才能进行下一步处理，可以使用CompletableFuture的组合方法（比如thenCombine、thenCompose等）来等待多个异步任务的结果，并在所有任务完成后进行处理。
4. 超时处理和异常处理：CompletableFuture提供了丰富的异常处理和超时处理的方法，可以很方便地处理异步任务执行过程中出现的异常或者超时情况。
5. 实现异步回调：通过CompletableFuture的回调方法，可以在异步任务完成后执行特定的逻辑，比如通知其他系统、记录日志等。

多线程任务使用案例

我将使用CompletableFuture的以下API来说明CompletableFuture的使用方法。

• supplyAsync：启动一个异步任务，并返回一个CompletableFuture对象，该任务会在传入的Supplier中执行。在这个例子中，第一个CompletableFuture启动了一个异步任务，模拟了一个耗时的操作，然后返回一个整数结果。
• exceptionally：处理上一个阶段执行过程中出现的异常，返回一个默认值。这里的result2使用exceptionally方法来处理result1阶段的异常，如果result1出现异常，就返回一个包含异常信息的字符串。
• thenApply：对上一个阶段的结果进行处理，并返回一个新的CompletableFuture对象。在这个例子中，result1是通过对future1的结果进行处理得到的，将异步任务1的结果转换为字符串并添加额外的处理。
• exceptionally：处理上一个阶段执行过程中出现的异常，返回一个默认值。这里的result2使用exceptionally方法来处理result1阶段的异常，如果result1出现异常，就返回一个包含异常信息的字符串。
• orTimeout：设置异步任务的超时时间。在这个例子中，result3使用orTimeout方法来设置任务的超时时间为2分钟，如果任务未在指定时间内完成，将抛出TimeoutException。
• runAsync：启动一个异步任务，但不返回任何结果。在这个例子中，result4表示一个没有返回值的异步任务，只是简单地打印一条信息。
• allOf：等待所有的CompletableFuture执行完毕。在这个例子中，通过使用allOf方法，等待result2、result3和result4都完成后再继续执行后续的逻辑。
• join：等待CompletableFuture的完成并获取结果。在这个例子中，通过调用join方法等待所有任务完成，并获取它们的结果。

API使用案例

public class CompletableFutureExample {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {// 异步任务启动：supplyAsyncCompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println("异步任务1开始执行");try {//模拟执行耗时操作TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {throw new IllegalStateException(e);}return 100;});// 异步任务结果处理：thenApplyCompletableFuture<String> result1 = future1.thenApply(value -> {System.out.println("任务1结果处理: " + value);return "Processed Result1: " + value;});// 串联/组合多个任务的处理结果：exceptionallyCompletableFuture<String> result2 = result1.exceptionally(ex -> "任务1出现异常: " + ex.getMessage());// 超时处理：orTimeoutCompletableFuture<String> result3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {try {//模拟执行耗时操作TimeUnit.SECONDS.sleep(3);} catch (InterruptedException e) {throw new IllegalStateException(e);}return "任务2完成";}).orTimeout(2, TimeUnit.MINUTES);// 流处理/函数式编程：与 Stream 接口结合CompletableFuture<Void> result4 = CompletableFuture.runAsync(() -> {System.out.println("任务3开始执行");});// 等待所有任务完成CompletableFuture.allOf(result2, result3, result4).join();System.out.println(result2.get());System.out.println(result3.get());}
}

业务优化案例

假如你是一名高级高级工程师，你们项目组正在做电商相关的业务，对接口的响应速度要求较高，现在有个需求是需要同时查询出：用户的账号信息、订单信息、购物车信息、银行卡支付信息，如果没有并发思想，那么接口的视线逻辑大致是这样的：

public class ECommerceService {public UserAccount getUserAccount() {// 执行查询用户账号信息的逻辑UserAccount userAccount = // ...;return userAccount;}public OrderInfo getOrderInfo() {// 执行查询订单信息的逻辑OrderInfo orderInfo = // ...;return orderInfo;}public ShoppingCart getShoppingCart() {// 执行查询购物车信息的逻辑ShoppingCart shoppingCart = // ...;return shoppingCart;}public BankCardPaymentInfo getBankCardPaymentInfo() {// 执行查询银行卡支付信息的逻辑BankCardPaymentInfo bankCardPaymentInfo = // ...;return bankCardPaymentInfo;}public void processECommerceRequest() {UserAccount userAccount = getUserAccount();OrderInfo orderInfo = getOrderInfo();ShoppingCart shoppingCart = getShoppingCart();BankCardPaymentInfo bankCardPaymentInfo = getBankCardPaymentInfo();// 在这里合并处理各个查询结果// ...}
}

以上是接口串行执行的逻辑，当前服务器环境一般都是多核心、多线程，服务器可以同时处理多个任务，如果此时还使用单线程去执行，有些“暴殄天物”，并且接口响应速度会比较慢，那么优化的方式就是开启多个线程去分别执行不同的逻辑，那么我们可以使用CompletableFuture来优化代码，提高接口响应速度。

import java.util.concurrent.CompletableFuture;public class ECommerceService {public CompletableFuture<UserAccount> getUserAccountAsync() {return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 执行查询用户账号信息的逻辑UserAccount userAccount = // ...;return userAccount;});}public CompletableFuture<OrderInfo> getOrderInfoAsync() {return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 执行查询订单信息的逻辑OrderInfo orderInfo = // ...;return orderInfo;});}public CompletableFuture<ShoppingCart> getShoppingCartAsync() {return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 执行查询购物车信息的逻辑ShoppingCart shoppingCart = // ...;return shoppingCart;});}public CompletableFuture<BankCardPaymentInfo> getBankCardPaymentInfoAsync() {return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {// 执行查询银行卡支付信息的逻辑BankCardPaymentInfo bankCardPaymentInfo = // ...;return bankCardPaymentInfo;});}public CompletableFuture<Void> processECommerceRequest() {CompletableFuture<UserAccount> userAccountFuture = getUserAccountAsync();CompletableFuture<OrderInfo> orderInfoFuture = getOrderInfoAsync();CompletableFuture<ShoppingCart> shoppingCartFuture = getShoppingCartAsync();CompletableFuture<BankCardPaymentInfo> bankCardPaymentInfoFuture = getBankCardPaymentInfoAsync();return CompletableFuture.allOf(userAccountFuture, orderInfoFuture, shoppingCartFuture, bankCardPaymentInfoFuture).thenAcceptAsync((Void) -> {UserAccount userAccount = userAccountFuture.join();OrderInfo orderInfo = orderInfoFuture.join();ShoppingCart shoppingCart = shoppingCartFuture.join();BankCardPaymentInfo bankCardPaymentInfo = bankCardPaymentInfoFuture.join();// 在这里合并处理各个异步任务的结果// ...});}
}

以上是账号、订单、购物车、银行卡支付逻辑块各开启一个线程异步去执行，最后等待各个线程执行完毕汇总结果，提高接口影响速度。

单线程和多线程相比，举个不恰当的例子：当你为了报仇，踌躇满志上山叩拜师门，经过十年寒窗苦练、不舍昼夜的练习，终于学成归来下山复仇，结果仇家拿出AK 47一阵突突，云淡风轻的跟你说：“大人，时代变了”的无力感。

一点小提示

问题

CompletableFuture在线程池中执行时，可能会出现代码异常，但是并没有将异常抛出的情况，原因有二：

1. 在CompletableFuture的异步任务中，如果出现异常而没有显式地处理或抛出，那么这个异常就会被吞噬，不会传播到CompletableFuture的最终结果上。
2. 另一种可能是因为异步任务在执行时发生了异常，但是在后续对CompletableFuture的处理过程中，没有正确处理这些异常。例如，在使用thenApply、exceptionally等方法对CompletableFuture的结果进行处理时，没有考虑到可能存在的异常情况，导致异常被掩盖。

解决方案

为了解决这个问题，你可以在异步任务的代码中，适当地处理异常并进行抛出，或者使用exceptionally方法来处理异常情况，确保异常能够正确地传播并得到处理。此外，在对CompletableFuture的结果进行处理时，需要注意处理可能发生的异常情况，以确保异常能够被及时捕获和处理。

CompletableFuture优缺点分析

CompletableFuture 是 Java 8 开始引入的一个用于支持异步编程的工具类，它提供了丰富的 API 来简化异步编程，并提供了对多个异步操作的组合、串行和并行执行的支持。下面是 CompletableFuture 的一些优缺点分析：

优点：

1. 简化异步编程：CompletableFuture 提供了简洁的 API，使得异步编程变得更加直观和易于理解。它允许开发者在不同的阶段对异步任务的结果进行处理、转换，甚至是以函数式编程的方式进行流式处理。
2. 异步任务组合：CompletableFuture 支持多个异步任务的组合、串行和并行执行，可以通过 thenCompose、thenCombine 等方法灵活地组织复杂的异步任务流程。
3. 异常处理：CompletableFuture 提供了异常处理机制，可以通过 exceptionally 方法对异步任务执行过程中的异常进行处理，从而保证异常能够被正确捕获和处理。
4. 超时处理：CompletableFuture 支持设置异步任务的超时时间，可以通过 orTimeout 方法指定超时时间，防止任务长时间执行导致阻塞。
5. 与函数式编程结合：CompletableFuture 运用了函数式编程的思想，使得异步任务的处理更加灵活，并且可以与 Stream 接口等其他函数式编程工具结合使用。

缺点：

1. 学习曲线：对于初学者来说，CompletableFuture 的 API 可能会有一定的学习曲线，特别是对于那些不熟悉函数式编程和异步编程模型的开发者来说。
2. 过度使用复杂性：在一些简单的场景下，使用 CompletableFuture 可能会显得过于复杂，特别是在一些简单的线性任务处理中，可能会显得比较繁琐。
3. 调试困难：由于 CompletableFuture 支持异步任务的组合和串行/并行执行，当出现逻辑错误或异常时，可能需要仔细追踪 CompletableFuture 链中的每个环节，以确定问题的所在，这可能会增加调试的难度。

综上所述，CompletableFuture 作为 Java 异步编程的利器，提供了丰富的功能和灵活的操作方式，但在使用时需要根据实际情况权衡其优缺点，避免过度复杂化简单的任务处理，并合理处理异常情况以及确保代码的可读性和可维护性。

关于CompletableFuture的相关实现原理，请您留个关注，明日更新。

感谢您看到最后，希望能解决您的困扰和疑惑，这是我更新最大的动力。

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