一文搞定高并发编程：CompletableFuture的supplyAsync与runAsync

CompletableFuture是Java 8中引入的一个类，用于简化异步编程和并发操作。它提供了一种方便的方式来处理异步任务的结果，以及将多个异步任务组合在一起执行。CompletableFuture支持链式操作，使得异步编程更加直观和灵活。在这里插入图片描述
在引入CompletableFuture之前，Java已经有了Future接口来表示异步计算的结果，但是它的功能相对有限，无法轻松实现复杂的异步操作链。CompletableFuture通过提供更丰富的方法和操作，使得异步编程变得更加便捷。

CompletableFuture实现了Future接口, CompletionStage接口，成为JDK8多任务协同场景下一个有效利器。

提交有返回值的异步任务

package com.neo;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class DemoCompletableFuture {
    private static  Logger logger = LoggerFactory.getLogger(DemoCompletableFuture.class);
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //提交一个CompletableFuture任务
        CompletableFuture<Integer> task = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            long start = System.currentTimeMillis();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            long end = System.currentTimeMillis();
            logger.info("@@ 打印执行耗时:" +(end - start)  + " ms");
            return 1;
        });

        logger.info("CompletableFuture.supplyAsync 开始" );
        //通过get方法阻塞获取任务执行结果
        logger.info("CompletableFuture.supplyAsync 执行结果： {}", task.get());
        logger.info("CompletableFuture.supplyAsync 结束");
    }

}

输出结果如下，可以看出CompletableFuture的get方法会阻塞主线程工作，直到得到返回值为止。

13:39:32.976 [main] INFO com.neo.DemoCompletableFuture - CompletableFuture.supplyAsync 开始
13:39:37.985 [ForkJoinPool.commonPool-worker-9] INFO com.neo.DemoCompletableFuture - @@ 打印执行耗时:5011 ms
13:39:37.986 [main] INFO com.neo.DemoCompletableFuture - CompletableFuture.supplyAsync 执行结果： 1
13:39:37.990 [main] INFO com.neo.DemoCompletableFuture - CompletableFuture.supplyAsync 结束

对此我们来看看get方法是如何做到阻塞主线程并等待异步线程任务执行完成的。

从下面这段源码我们可以看到get方法的执行步骤:

/**
 * Waits if necessary for this future to complete, and then
 * returns its result.
 *
 * @return the result value
 * @throws CancellationException if this future was cancelled
 * @throws ExecutionException if this future completed exceptionally
 * @throws InterruptedException if the current thread was interrupted
 * while waiting
 */
public T get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    Object r;
    return reportGet((r = result) == null ? waitingGet(true) : r);
}

reportGet函数分析

/**
 * Reports result using Future.get conventions.
 */
private static <T> T reportGet(Object r)
    throws InterruptedException, ExecutionException {
    if (r == null) // by convention below, null means interrupted
        throw new InterruptedException();
    if (r instanceof AltResult) {
        Throwable x, cause;
        if ((x = ((AltResult)r).ex) == null)
            return null;
        if (x instanceof CancellationException)
            throw (CancellationException)x;
        if ((x instanceof CompletionException) &&
            (cause = x.getCause()) != null)
            x = cause;
        throw new ExecutionException(x);
    }
    @SuppressWarnings("unchecked") T t = (T) r;
    return t;
}

这是CompletableFuture类中的一个私有静态方法reportGet，用于报告异步任务执行的结果，遵循Future.get的约定。让我们逐步分析这个方法：

参数类型

private static <T> T reportGet(Object r)    
throws InterruptedException, ExecutionException

这是一个泛型方法，接收一个Object类型的参数r，表示异步任务的结果。

判断结果是否为null

if (r == null)     
throw new InterruptedException();

如果结果r为null，按照惯例表示任务被中断，此时抛出InterruptedException。

处理AltResult

if (r instanceof AltResult) {     
// ...
}

如果结果是AltResult类型，说明异步任务执行过程中发生了异常。进入AltResult的处理逻辑。

获取异常信息并抛出相应异常

Throwable x, cause;
if ((x = ((AltResult)r).ex) == null)
    return null;
if (x instanceof CancellationException)
    throw (CancellationException)x;
if ((x instanceof CompletionException) &&
    (cause = x.getCause()) != null)
    x = cause;
throw new ExecutionException(x);

如果AltResult中的异常ex为null，说明异步任务被取消，返回null。

如果异常是CancellationException，抛出CancellationException。

如果异常是CompletionException，获取它的原因（cause），如果有原因就将异常替换为原因，最终抛出ExecutionException。

类型转换并返回结果

@SuppressWarnings("unchecked") T t = (T) r;
return t;

最后，将r强制类型转换为泛型类型T，然后返回。

这个方法主要负责处理异步任务执行结果中可能涉及的异常情况，并根据Future.get的约定进行适当的处理。

waitingGet函数分析

/**
 * Returns raw result after waiting, or null if interruptible and
 * interrupted.
 */
private Object waitingGet(boolean interruptible) {
    Signaller q = null;
    boolean queued = false;
    int spins = -1;
    Object r;
    while ((r = result) == null) {
        if (spins < 0)
            spins = (Runtime.getRuntime().availableProcessors() > 1) ?
                1 << 8 : 0; // Use brief spin-wait on multiprocessors
        else if (spins > 0) {
            if (ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed() >= 0)
                --spins;
        }
        else if (q == null)
            q = new Signaller(interruptible, 0L, 0L);
        else if (!queued)
            queued = tryPushStack(q);
        else if (interruptible && q.interruptControl < 0) {
            q.thread = null;
            cleanStack();
            return null;
        }
        else if (q.thread != null && result == null) {
            try {
                ForkJoinPool.managedBlock(q);
            } catch (InterruptedException ie) {
                q.interruptControl = -1;
            }
        }
    }
    if (q != null) {
        q.thread = null;
        if (q.interruptControl < 0) {
            if (interruptible)
                r = null; // report interruption
            else
                Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
    postComplete();
    return r;
}

这是CompletableFuture类中的一个私有方法waitingGet，用于在异步任务完成前等待其结果。让我们逐步分析这个方法：

初始化变量

Signaller q = null;
boolean queued = false;
int spins = -1;
Object r;

这里初始化了一些变量，包括一个Signaller对象q，一个表示是否已经将任务推入栈的标志queued，一个用于自旋等待的计数spins，以及用于存储异步任务结果的变量r。

自旋等待任务完成

while ((r = result) == null) {
    // 自旋等待任务完成
}

在这个循环中，不断检查result是否为null，如果为null，说明任务还未完成，就继续等待。

自旋等待策略

if (spins < 0)
    spins = (Runtime.getRuntime().availableProcessors() > 1) ?
        1 << 8 : 0; // Use brief spin-wait on multiprocessors
else if (spins > 0) {
    if (ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed() >= 0)
        --spins;
}

如果spins为负值，根据当前系统的处理器数量决定是否使用自旋等待。如果有多个处理器，使用brief spin-wait。
如果spins大于0，且随机数为正，则减少spins，继续自旋等待。

创建和推送Signaller对象

else if (q == null)
    q = new Signaller(interruptible, 0L, 0L);
else if (!queued)
    queued = tryPushStack(q);

如果q为null，创建一个Signaller对象。Signaller是用于协调等待的辅助类。
如果q已创建但未推送到栈中，尝试推送到栈中。

处理中断

else if (interruptible && q.interruptControl < 0) {
    q.thread = null;
    cleanStack();
    return null;
}

- 如果支持中断且q.interruptControl小于0，表示中断发生，清理相关状态并返回null。

使用ManagedBlocker进行等待

 else if (q.thread != null && result == null) {
    try {
        ForkJoinPool.managedBlock(q);
    } catch (InterruptedException ie) {
        q.interruptControl = -1;
    }
}

如果q.thread不为null，且任务未完成，使用ForkJoinPool.managedBlock进行等待。这是一种协作式的等待方式。

处理中断和结果

if (q != null) {
    q.thread = null;
    if (q.interruptControl < 0) {
        if (interruptible)
            r = null; // report interruption
        else
            Thread.currentThread().interrupt();
    }
}

清理Signaller对象的状态。
如果支持中断，根据中断控制状态设置返回值r为null或者中断当前线程。

完成异步任务后的处理

postComplete();

最后，调用postComplete方法，该方法用于处理异步任务完成后的一些后续操作。

返回结果

return r;

返回异步任务的结果。

这个方法主要负责等待异步任务的完成，使用了一些自旋等待、协作式等待和中断处理的策略，确保在任务完成后能够正确返回结果。

提交无返回值的异步任务

通过runAsync提交一个无返回值的异步任务，这里我们为了实现任务执行完成再关闭主线程用了个get阻塞等待任务完成。

package com.neo;
/**
 * @Author zhangt
 * @create 2023/11/10
 */

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

/**
 * @author zhangt
 * @date 2023年11月10日
 */
public class DemoCompletableFuture2 {


    private static  Logger logger = LoggerFactory.getLogger(DemoCompletableFuture2.class);

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<Void> supplyAsync = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            long start = System.currentTimeMillis();
            logger.info(Thread.currentThread().getName() + "开始执行时间：" + start);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            logger.info(Thread.currentThread().getName() + "结束总执行时间：" + (System.currentTimeMillis() - start));
        });
        logger.info("CompletableFuture.supplyAsync 主线程开始运行" );
        //get阻塞主线程等待任务结束
        logger.info("get阻塞主线程等待任务结束 ：" + supplyAsync.get());
        logger.info("CompletableFuture.supplyAsync 主线程运行结束");
    }

}

返回结果

15:29:59.922 [ForkJoinPool.commonPool-worker-9] INFO com.neo.DemoCompletableFuture2 - ForkJoinPool.commonPool-worker-9开始执行时间：1699860599920
15:29:59.922 [main] INFO com.neo.DemoCompletableFuture2 - CompletableFuture.supplyAsync 主线程开始运行
15:30:00.935 [ForkJoinPool.commonPool-worker-9] INFO com.neo.DemoCompletableFuture2 - ForkJoinPool.commonPool-worker-9结束总执行时间：1015
15:30:00.935 [main] INFO com.neo.DemoCompletableFuture2 - get阻塞主线程等待任务结束 ：null
15:30:00.935 [main] INFO com.neo.DemoCompletableFuture2 - CompletableFuture.supplyAsync 主线程运行结束

区别

CompletableFuture.supplyAsync和CompletableFuture.runAsync都是用于创建异步任务的方法，但它们在任务的类型和返回值处理上有一些区别。

CompletableFuture.supplyAsync

任务类型：用于执行有返回值的异步任务。任务由Supplier提供，不接收任何参数，返回一个结果。

方法签名

public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier)

示例

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
      // 有返回值的异步任务
      return "Hello, CompletableFuture!";
});

CompletableFuture.runAsync

任务类型：用于执行没有返回值的异步任务。任务由Runnable提供，不返回任何结果。

方法签名

public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable)

示例

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
     // 没有返回值的异步任务
     System.out.println("Running async task");
});

区别总结

CompletableFuture.supplyAsync用于执行有返回值的异步任务，接收一个Supplier，返回一个CompletableFuture对象，可获取异步任务的结果。

CompletableFuture.runAsync用于执行没有返回值的异步任务，接收一个Runnable，返回一个CompletableFuture对象，表示异步任务执行完毕。

这两个方法都允许通过传递Executor来指定异步任务的执行线程。例如，可以使用

CompletableFuture.supplyAsync(supplier, executor)

或

CompletableFuture.runAsync(runnable, executor)

来指定特定的线程池。