一、 引言

1. 對多線程編程的需求和挑戰(zhàn)的介紹

多線程編程是指在一個程序中同時執(zhí)行多個線程來提高系統(tǒng)的并發(fā)性和響應性。在現代計算機系統(tǒng)中，多線程編程已經成為開發(fā)者日常工作的一部分。以下是對多線程編程需求和挑戰(zhàn)的介紹：

1. 需求：
   • 提高系統(tǒng)的性能：通過同時執(zhí)行多個線程，可以利用多核處理器的優(yōu)勢，實現任務的并行執(zhí)行，從而提高系統(tǒng)的處理速度和吞吐量。
   • 改善用戶體驗：多線程編程可以使圖形界面或交互式應用程序更加流暢和響應，避免長時間的等待和阻塞。
   • 實現后臺任務：多線程可以用于執(zhí)行后臺任務，如數據加載、網絡通信、文件寫入等，提高用戶界面的反應速度，同時保持后臺任務的進行。

2. 挑戰(zhàn)：

• 線程同步與競態(tài)條件：多個線程共享同一份資源時，可能會引發(fā)問題，如競態(tài)條件、死鎖和數據不一致等。需要合理地使用鎖、同步機制和線程安全的數據結構來保證線程之間的正確協作。
• 上下文切換開銷：在多線程環(huán)境下，線程的調度和切換會帶來一定的開銷，影響系統(tǒng)性能。合理控制線程數量和避免過度的上下文切換是關鍵。
• 調試和測試困難：多線程程序的調試和測試相對復雜，由于線程間的異步執(zhí)行和并發(fā)性，可能會導致問題不易重現和定位。
• 安全性和可靠性：多線程編程需要考慮并發(fā)訪問共享資源的問題，如果處理不當，可能會導致數據不一致、內存泄漏等安全問題。同時還需保證線程的穩(wěn)定性、可靠性和正確性。

了解這些需求和挑戰(zhàn)對于進行有效的多線程編程至關重要。開發(fā)者需要熟悉并掌握多線程編程的基本概念、技術和最佳實踐，以解決并發(fā)編程中的問題，并正確地利用多線程來滿足系統(tǒng)的需求。

2. 介紹CompletableFuture的作用和優(yōu)勢

CompletableFuture是Java 8引入的一個強大的多線程編程工具，用于處理異步任務和并發(fā)編程。它提供了更簡潔、靈活和易用的方式來處理并發(fā)操作。以下是CompletableFuture的作用和優(yōu)勢的介紹：

1. 異步任務處理：CompletableFuture可以用于執(zhí)行異步任務，并在任務完成時獲取結果。它可以幫助開發(fā)者更方便地處理耗時的操作，避免阻塞主線程。

2. 組合多個任務：CompletableFuture可以將多個異步任務進行鏈式組合，實現任務之間的順序關系。通過一系列的方法調用，可以實現任務的串行執(zhí)行、并行執(zhí)行以及任務間的依賴關系。

3. 回調函數處理：CompletableFuture支持回調函數的方式處理異步任務的結果?？梢栽谌蝿胀瓿珊髨?zhí)行相應的回調函數，進行后續(xù)操作，例如數據處理、結果分析等。

4. 異常處理：CompletableFuture提供了靈活的異常處理機制?？梢允褂胑xceptionally()方法或handle()方法來處理任務中的異常情況，保證程序的健壯性和穩(wěn)定性。

5. 取消和超時處理：CompletableFuture支持任務的取消和超時處理。可以設置任務的執(zhí)行時間上限，如果任務無法在規(guī)定時間內完成，可以進行相應的處理操作，避免長時間的等待和占用資源。

6. 并發(fā)限制：CompletableFuture允許開發(fā)者設置任務的并發(fā)限制，控制同時執(zhí)行的任務數量。這對于任務有資源限制或對并發(fā)度有要求的場景非常有用。

7. 整合Stream操作：CompletableFuture可以與Java 8中引入的Stream API進行無縫整合。通過CompletableFuture的一些方法，可以在流中實現并行操作，提高處理效率。

CompletableFuture作為Java多線程編程的利器，使得異步任務和并發(fā)編程變得更加直觀和簡單。它提供了豐富的方法來處理并發(fā)操作，并具有靈活的異常處理、任務組合和回調處理能力。使用CompletableFuture可以大大簡化多線程編程的復雜性，提高開發(fā)效率和程序性能。

二. CompletableFuture簡介

1. CompletableFuture是Java中提供的一個強大的多線程編程工具

CompletableFuture是Java中提供的一個強大的多線程編程工具。它位于java.util.concurrent包下，是Java 8引入的一種Future的擴展形式，用于處理異步任務和并發(fā)編程。

CompletableFuture提供了一種更簡潔、靈活和易用的方式來處理異步任務。它支持鏈式調用和函數式編程的風格，使得編寫異步代碼變得更加直觀和方便。

通過CompletableFuture，可以完成以下操作：

1. 異步執(zhí)行：使用supplyAsync()或runAsync()方法可以將任務提交到線程池中異步執(zhí)行，這樣就不會阻塞主線程。

2. 鏈式操作：通過一系列的方法調用，可以將多個CompletableFuture組合在一起，形成一個任務鏈。例如，使用thenApply()、thenAccept()和thenCompose()等方法可以定義任務之間的依賴關系和后續(xù)操作。

3. 異常處理：CompletableFuture提供了異常處理的機制，可以使用exceptionally()、handle()和whenComplete()等方法來處理異常情況，并在任務完成時執(zhí)行相應的操作。

4. 合并多個任務：使用allOf()、anyOf()和join()等方法可以將多個CompletableFuture進行合并和組合，實現對多個任務結果的處理。

5. 取消和超時處理：CompletableFuture支持取消任務和設置超時時間，并提供了相應的方法來處理任務的取消和超時情況。

6. 并發(fā)限制：可以使用CompletableFuture.supplyAsync().thenCombine()等方法來控制并發(fā)度，限制同時執(zhí)行的任務數量。

CompletableFuture的引入大大簡化了Java中的異步編程和并發(fā)處理，使得多線程編程變得更加方便和高效。它提供了豐富的操作方法和異常處理機制，幫助開發(fā)者更好地控制和組合異步任務，實現高效的并發(fā)編程。

2. 與傳統(tǒng)的Thread和Runnable相比的優(yōu)點

相對于傳統(tǒng)的Thread和Runnable，CompletableFuture具有以下幾個優(yōu)點：

1. 異步編程簡單：CompletableFuture通過方法鏈的方式讓異步編程變得更加直觀和易于理解。開發(fā)者可以通過一系列的方法調用來組合和處理異步任務，而不需要手動管理線程和同步。

2. 高級的任務組合：CompletableFuture提供了豐富的方法來組合多個任務，例如在一個任務完成后執(zhí)行下一個任務、組合多個任務的結果等。這種鏈式調用的方式使得任務之間的關系更加清晰和靈活。

3. 異常處理方便：CompletableFuture提供了專門的方法來處理異常情況。通過exceptionally()、handle()和whenComplete()等方法，可以更容易地捕獲和處理任務中出現的異常。

4. 取消和超時處理：CompletableFuture支持任務的取消和設置超時時間。可以使用cancel()方法取消任務，或者使用completeOnTimeout()方法設置任務的超時時間。這些功能在處理需要限時操作或在某些條件下需要中止任務的場景非常有用。

5. 非阻塞主線程：CompletableFuture的任務是在一個線程池中執(zhí)行的，因此不會阻塞主線程。這允許主線程繼續(xù)執(zhí)行其他操作，提高了應用程序的響應性能。

6. 并發(fā)度控制：CompletableFuture提供了方式來控制任務的并發(fā)度?？梢允褂?code>thenComposeAsync()、thenCombineAsync()等方法來指定異步任務在多個線程上并發(fā)執(zhí)行，從而提高性能。

7. 整合Stream API：CompletableFuture可以與Java 8中引入的Stream API無縫集成。這意味著可以在流中使用CompletableFuture來進行并行操作，進一步簡化了代碼的編寫和處理。

總的來說，CompletableFuture相對于傳統(tǒng)的Thread和Runnable提供了更高級、更靈活、更易于使用的異步編程解決方案。它讓異步任務的編寫和組合變得更加簡單和直觀，并提供了豐富的方法來處理異常、取消任務和控制并發(fā)度。這使得開發(fā)者能夠更好地管理和利用多線程環(huán)境，提高應用程序的性能和可維護性。

三、基本用法

1.創(chuàng)建CompletableFuture對象的方式

創(chuàng)建CompletableFuture對象的方式有多種，可以根據實際需求選擇適合的方式。以下是幾種常見的創(chuàng)建CompletableFuture對象的方式：

1. 使用CompletableFuture.supplyAsync()創(chuàng)建異步執(zhí)行的CompletableFuture對象，該方法接收一個Supplier類型的參數，表示要執(zhí)行的任務，并返回一個CompletableFuture對象。

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // 異步執(zhí)行的任務邏輯
    return "Hello, CompletableFuture!";
});

2. 使用CompletableFuture.runAsync()創(chuàng)建異步執(zhí)行的CompletableFuture對象，該方法接收一個Runnable類型的參數，表示要執(zhí)行的任務，并返回一個CompletableFuture對象。

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
    // 異步執(zhí)行的任務邏輯
    System.out.println("Hello, CompletableFuture!");
});

3. 使用CompletableFuture.completedFuture()創(chuàng)建已完成的CompletableFuture對象，該方法接收一個數值、對象或null作為參數，返回一個已經完成的CompletableFuture對象。

CompletableFuture<String> completedFuture = CompletableFuture.completedFuture("Hello");

4. 使用CompletableFuture.newIncompleteFuture()創(chuàng)建一個未完成的CompletableFuture對象，以后可以通過調用其它方法來完成該對象。

CompletableFuture<String> future = new CompletableFuture<>();
// 后續(xù)在適當的時機通過調用complete方法完成該CompletableFuture對象
future.complete("Hello, CompletableFuture!");

5. 使用CompletableFuture.allOf()和CompletableFuture.anyOf()靜態(tài)方法創(chuàng)建組合的CompletableFuture對象。allOf()接收多個CompletableFuture對象作為參數，并返回一個新的CompletableFuture對象，該對象在所有輸入的CompletableFuture對象都完成后才會完成。anyOf()類似，只要有任意一個輸入的CompletableFuture對象完成，返回的對象就會完成。

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello");
CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "CompletableFuture");

CompletableFuture<Void> allOfFuture = CompletableFuture.allOf(future1, future2);
CompletableFuture<Object> anyOfFuture = CompletableFuture.anyOf(future1, future2);

這些是創(chuàng)建CompletableFuture對象的常見方式，根據具體的業(yè)務需求和場景，可以選擇適合的方式來創(chuàng)建和組合CompletableFuture對象，實現異步編程和并發(fā)處理。

2. 異步執(zhí)行任務并返回結果

要異步執(zhí)行任務并返回結果，可以使用CompletableFuture.supplyAsync()方法創(chuàng)建一個CompletableFuture對象，并將要執(zhí)行的任務邏輯包裝在一個Supplier函數中。這個Supplier函數會在異步執(zhí)行的線程中被調用，并返回計算的結果。

以下是一個示例代碼：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class AsyncTaskExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 異步執(zhí)行任務
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 異步執(zhí)行的任務邏輯
            return "Hello, CompletableFuture!";
        });

        // 當任務完成時獲取結果
        future.thenAccept(result -> System.out.println("Result: " + result));

        // 阻塞主線程，使異步任務有足夠的時間完成
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上面的示例中，我們使用CompletableFuture.supplyAsync()方法創(chuàng)建了一個CompletableFuture對象，并在Supplier函數中定義了要異步執(zhí)行的任務邏輯。通過thenAccept()方法，我們注冊了一個回調函數，當任務完成時會獲取到計算的結果，并打印輸出。

需要注意的是，在這個示例中，我們使用Thread.sleep()方法阻塞了主線程一段時間，以確保異步任務有足夠的時間完成。實際使用中，主線程可能會執(zhí)行其他的操作，而不必主動等待異步任務完成。

當然，CompletableFuture還提供了許多其他的方法來處理異步任務的結果，例如使用thenApply()方法對結果進行轉換，使用exceptionally()方法處理異常情況等。根據具體的需求，可以選擇適合的方法來處理異步任務的結果。

3. 使用回調函數處理異步任務的結果

使用回調函數處理異步任務的結果是通過在CompletableFuture對象上注冊回調函數來實現的。當異步任務完成時，回調函數會被執(zhí)行，并傳遞任務的結果作為參數。

以下是一個示例代碼，演示如何使用回調函數處理異步任務的結果：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class AsyncCallbackExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 異步執(zhí)行任務
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 異步執(zhí)行的任務邏輯
            return "Hello, CompletableFuture!";
        });

        // 注冊回調函數處理任務結果
        future.thenAccept(result -> System.out.println("Result: " + result));

        // 阻塞主線程，使異步任務有足夠的時間完成
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上面的示例中，我們通過thenAccept()方法在CompletableFuture對象上注冊了一個回調函數。當異步任務完成后，回調函數會被執(zhí)行，并將任務的結果作為參數傳遞給回調函數。在這個示例中，回調函數只簡單地打印出結果。

需要注意的是，回調函數會在異步任務完成的線程上執(zhí)行。如果回調函數需要進行耗時的操作或者阻塞，可能會影響到其他任務的執(zhí)行。因此，建議在回調函數中只處理輕量級的操作，避免阻塞或耗時的操作。

除了thenAccept()方法外，CompletableFuture還提供了其他的回調函數方法，如thenApply()用于對任務結果進行轉換，exceptionally()用于處理異常情況等。根據需求，選擇適合的回調函數方法來處理異步任務的結果。

四、組合多個CompletableFuture

1. thenCompose()方法的使用

thenCompose()方法是CompletableFuture類提供的一個方法，用于處理異步任務的結果。它接受一個Function參數，該函數將當前CompletableFuture的結果作為輸入，并返回另一個CompletableFuture對象。這個返回的CompletableFuture對象表示一個新的異步任務，可以繼續(xù)執(zhí)行鏈式操作。

下面是使用thenCompose()方法的示例代碼：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class ThenComposeExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 異步執(zhí)行第一個任務
        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 第一個任務邏輯
            return "Hello";
        });

        // 使用thenCompose()方法處理第一個任務的結果，并執(zhí)行第二個任務
        CompletableFuture<String> future2 = future1.thenCompose(result -> {
            // 第二個任務邏輯，基于第一個任務的結果
            return CompletableFuture.supplyAsync(() -> result + ", CompletableFuture!");
        });

        // 當第二個任務完成時獲取結果
        future2.thenAccept(result -> System.out.println("Result: " + result));

        // 阻塞主線程，使異步任務有足夠的時間完成
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上面的示例中，我們首先使用CompletableFuture.supplyAsync()方法創(chuàng)建了一個異步任務future1，它簡單地返回字符串"Hello"。接著，我們使用thenCompose()方法處理future1的結果，根據第一個任務的結果執(zhí)行第二個任務。第二個任務通過CompletableFuture.supplyAsync()方法創(chuàng)建，它會將第一個任務的結果與字符串", CompletableFuture!"拼接在一起。

最后，我們使用thenAccept()方法注冊了一個回調函數，在第二個任務完成時打印結果。

需要注意的是，thenCompose()方法返回的是一個新的CompletableFuture對象，表示一個新的異步任務。通過這種方式，可以方便地鏈式執(zhí)行多個異步任務，每個任務都依賴于上一個任務的結果。

在實際應用中，可以根據具體需求來組合和處理異步任務的結果，使用thenCompose()方法來進行任務的串聯和組合。

2. thenCombine()方法的使用

thenCombine()方法是CompletableFuture類提供的一個方法，用于將兩個獨立的異步任務的結果進行合并處理。它接受兩個CompletionStage參數和一個BiFunction參數，該函數將兩個任務的結果作為輸入，并返回一個新的結果。

下面是使用thenCombine()方法的示例代碼：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class ThenCombineExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 異步執(zhí)行第一個任務
        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 第一個任務邏輯
            return "Hello";
        });

        // 異步執(zhí)行第二個任務
        CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 第二個任務邏輯
            return "CompletableFuture!";
        });

        // 使用thenCombine()方法處理兩個任務的結果
        CompletableFuture<String> combinedFuture = future1.thenCombine(future2, (result1, result2) -> {
            // 合并處理兩個任務的結果
            return result1 + ", " + result2;
        });

        // 當合并任務完成時獲取結果
        combinedFuture.thenAccept(result -> System.out.println("Result: " + result));

        // 阻塞主線程，使異步任務有足夠的時間完成
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上面的示例中，我們首先分別創(chuàng)建了兩個獨立的異步任務future1和future2，它們分別返回字符串"Hello"和"CompletableFuture!"。然后，我們使用thenCombine()方法將這兩個任務的結果進行合并處理。合并的邏輯由BiFunction參數指定，它將兩個任務的結果拼接起來。

最后，使用thenAccept()方法注冊了一個回調函數，在合并任務完成時打印結果。

需要注意的是，thenCombine()方法返回的是一個新的CompletableFuture對象，表示一個新的異步任務。通過這種方式，可以將多個獨立的異步任務的結果合并在一起，并進行后續(xù)的處理。

在實際應用中，可以根據具體需求選擇使用thenCombine()方法來處理多個異步任務的結果的合并操作。

3. allOf()和anyOf()方法的使用

allOf()和anyOf()方法都是CompletableFuture類提供的靜態(tài)方法，用于處理多個異步任務的結果。

allOf()方法接受一個可變參數，表示一組CompletableFuture對象，返回一個新的CompletableFuture對象。這個新的CompletableFuture對象表示一個新的異步任務，當所有輸入的任務都完成時，它將完成。

下面是使用allOf()方法的示例代碼：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class AllOfExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 定義一組異步任務
        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Task 1");
        CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Task 2");
        CompletableFuture<String> future3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Task 3");

        // 使用allOf()方法等待所有任務完成
        CompletableFuture<Void> allFutures = CompletableFuture.allOf(future1, future2, future3);

        // 當所有任務完成時執(zhí)行回調函數
        allFutures.thenRun(() -> System.out.println("All tasks completed."));

        // 阻塞主線程，使異步任務有足夠的時間完成
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上面的示例中，我們定義了三個異步任務future1、future2和future3，它們分別返回字符串"Task 1"、“Task 2"和"Task 3”。然后，我們使用allOf()方法等待所有任務完成，并返回一個CompletableFuture<Void>對象。我們可以通過這個對象注冊一個回調函數，在所有任務完成時打印一條消息。

需要注意的是，allOf()方法返回的CompletableFuture對象不關心每個任務的具體結果，只關心所有任務的完成情況。

而anyOf()方法接受一個可變參數，表示一組CompletableFuture對象，返回一個新的CompletableFuture對象。這個新的CompletableFuture對象表示一個新的異步任務，當任意一個輸入的任務完成時，它將完成。

下面是使用anyOf()方法的示例代碼：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class AnyOfExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 定義一組異步任務
        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Task 1");
        CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Task 2");
        CompletableFuture<String> future3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Task 3");

        // 使用anyOf()方法等待任意一個任務完成
        CompletableFuture<Object> anyFuture = CompletableFuture.anyOf(future1, future2, future3);

        // 當任意一個任務完成時執(zhí)行回調函數
        anyFuture.thenAccept(result -> System.out.println("One task completed: " + result));

        // 阻塞主線程，使異步任務有足夠的時間完成
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上面的示例中，我們同樣定義了三個異步任務future1、future2和future3，它們分別返回字符串"Task 1"、“Task 2"和"Task 3”。然后，我們使用anyOf()方法等待任意一個任務完成，并返回一個CompletableFuture<Object>對象。我們可以通過這個對象注冊一個回調函數，在任意一個任務完成時打印其結果。

需要注意的是，anyOf()方法返回的CompletableFuture對象只會關注第一個完成的任務，不會等待其他任務的完成。

通過使用allOf()和anyOf()方法，可以方便地處理多個異步任務的結果，并根據不同的需求進行相應的處理。

五、異常處理

1. exceptionally()方法的使用

exceptionally() 方法是 CompletableFuture 類提供的一個方法，它允許你在異步任務拋出異常時提供一個默認的返回值或進行異常處理。該方法接受一個函數作為參數，這個函數會在異步任務拋出異常時被調用。

下面是 exceptionally() 方法的使用示例：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class ExceptionallyExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 定義一個異步任務
        CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 任務邏輯，這里會拋出異常
            throw new RuntimeException("Task failed!");
        });

        // 使用 exceptionally() 方法處理異步任務的異常
        CompletableFuture<Integer> result = future.exceptionally(ex -> {
            // 在異常發(fā)生時處理異常并提供默認返回值
            System.out.println("Exception occurred: " + ex.getMessage());
            return 0;
        });

        // 等待異步任務完成并獲取最終結果
        int value = result.join();
        System.out.println("Result: " + value);
    }
}

在上面的示例中，我們定義了一個異步任務 future，它會拋出一個運行時異常。然后，我們使用 exceptionally() 方法來處理異常，并提供一個默認的返回值。在異常發(fā)生時，異常處理函數會被調用，打印異常信息，并返回 0。最后，我們使用 join() 方法等待異步任務完成，并獲取最終結果。

需要注意的是，exceptionally() 方法返回的是一個新的 CompletableFuture 對象，它表示一個新的異步任務。這個新的任務在原始任務拋出異常時會被觸發(fā)，并執(zhí)行異常處理函數。

使用 exceptionally() 方法可以方便地處理異步任務的異常情況，提供默認的返回值或進行異常處理，從而保證程序的可靠性和穩(wěn)定性。

2. handle()方法的使用

六、 CompletableFuture的進階功能

1. CompletableFuture的取消和超時處理

handle() 方法是 CompletableFuture 類提供的一個方法，它可以在異步任務完成后對結果進行處理，無論是否出現異常。相比于 exceptionally() 方法，handle() 方法可以處理正常結果和異常情況。

handle() 方法接受一個函數作為參數，這個函數會在異步任務完成后被調用，并接收任務的結果作為輸入參數。這個函數可以返回一個結果，作為最終的處理結果。

下面是 handle() 方法的使用示例：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class HandleExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 定義一個異步任務
        CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 任務邏輯，這里可能會拋出異常
            return 10;
        });

        // 使用 handle() 方法處理異步任務的結果和異常
        CompletableFuture<String> result = future.handle((value, ex) -> {
            if (ex != null) {
                // 異常處理
                System.out.println("Exception occurred: " + ex.getMessage());
                return "Default Value";
            } else {
                // 正常結果處理
                return "Result: " + value;
            }
        });

        // 等待異步任務完成并獲取最終結果
        String finalResult = result.join();
        System.out.println(finalResult);
    }
}

在上面的示例中，我們定義了一個異步任務 future，它會返回一個整數。然后，我們使用 handle() 方法來處理異步任務的結果和異常。在處理函數中，首先判斷異常是否為 null，如果不為 null，則表示任務發(fā)生了異常，我們可以在這里進行異常處理，并返回一個默認值。如果異常為 null，則表示任務執(zhí)行正常，我們可以在這里對正常結果進行處理，并返回相應的字符串。

最后，使用 join() 方法等待異步任務完成，并獲取最終的處理結果。

需要注意的是，handle() 方法返回的是一個新的 CompletableFuture 對象，它表示一個新的異步任務。這個新的任務會在原始任務完成后被觸發(fā)，并執(zhí)行處理函數。

通過使用 handle() 方法，我們可以靈活地處理異步任務的結果和異常，提供自定義的處理邏輯，從而實現更加復雜的業(yè)務需求。

2. CompletableFuture的并發(fā)限制

CompletableFuture 類本身并沒有提供直接的并發(fā)限制功能。它是 Java 中用于處理異步編程的工具類，通過 CompletableFuture 可以方便地進行異步任務的組合、串行化、并行化等操作。

如果你需要對異步任務進行并發(fā)限制，可以借助 Executor 框架提供的線程池來實現。Executors 類提供了一些靜態(tài)方法來創(chuàng)建不同類型的線程池，其中的線程池可以控制并發(fā)執(zhí)行的任務數量。

下面是一個使用 Executors 創(chuàng)建固定大小線程池來限制 CompletableFuture 并發(fā)的示例：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ConcurrentLimitExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個固定大小的線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);

        // 創(chuàng)建多個 CompletableFuture，并指定線程池
        CompletableFuture<Void> task1 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            // 異步任務邏輯
            System.out.println("Task 1");
        }, executor);

        CompletableFuture<Void> task2 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            // 異步任務邏輯
            System.out.println("Task 2");
        }, executor);

        CompletableFuture<Void> task3 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            // 異步任務邏輯
            System.out.println("Task 3");
        }, executor);

        // 等待所有 CompletableFuture 完成
        CompletableFuture.allOf(task1, task2, task3)
                .join();

        // 關閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在上面的示例中，我們使用 Executors.newFixedThreadPool(5) 創(chuàng)建一個固定大小為 5 的線程池。然后，我們創(chuàng)建了多個 CompletableFuture 對象，并通過指定線程池來執(zhí)行異步任務。通過這種方式，我們可以控制并發(fā)執(zhí)行的任務數量，限制在線程池提供的線程數范圍內。

需要注意的是，通過線程池控制并發(fā)執(zhí)行的任務數量是有限度的，取決于線程池的配置和硬件資源。如果任務數超過了線程池的容量，超出部分的任務會進入等待隊列，直到有空閑線程可用。

使用線程池來限制 CompletableFuture 的并發(fā)操作可以幫助控制資源的使用，防止資源過度消耗和線程過多導致的性能問題。

3. CompletableFuture與Stream的結合使用

CompletableFuture 和 Stream 是 Java 中兩個強大且靈活的工具，它們可以很好地結合使用，以實現異步處理和流式操作的組合。下面是一些使用 CompletableFuture 和 Stream 結合的示例：

1. 異步任務的并行處理：

import java.util.List;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.stream.Collectors;

public class CompletableFutureWithStream {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> numbers = List.of(1, 2, 3, 4, 5);

        // 使用 CompletableFuture 來異步處理每個元素
        List<CompletableFuture<String>> futures = numbers.stream()
                .map(number -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> process(number)))
                .collect(Collectors.toList());

        // 等待所有 CompletableFuture 完成，并獲取結果列表
        List<String> results = futures.stream()
                .map(CompletableFuture::join)
                .collect(Collectors.toList());

        // 打印結果
        results.forEach(System.out::println);
    }

    private static String process(Integer number) {
        // 模擬一個耗時操作
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "Processed: " + number;
    }
}

在上述示例中，我們使用 CompletableFuture 的 supplyAsync() 方法來創(chuàng)建異步任務，并通過 Stream 的 map() 方法將每個元素映射成對應的 CompletableFuture。然后，我們將這些 CompletableFuture 收集到一個列表中。

接著，我們通過 Stream 的 map() 方法將列表中的 CompletableFuture 轉換為實際的結果，并將結果收集到另一個列表中。最后，我們打印出每個結果。

這樣的方式可以實現異步任務的并行處理，提高處理效率。

2. 異步任務的順序處理：

import java.util.List;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class CompletableFutureWithStream {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> numbers = List.of(1, 2, 3, 4, 5);

        CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.completedFuture(null); // 創(chuàng)建一個已完成的 CompletableFuture

        // 順序處理每個元素的異步任務
        for (Integer number : numbers) {
            future = future.thenComposeAsync(result -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> process(number)));
        }

        // 等待最后一個 CompletableFuture 完成
        future.join();
    }

    private static String process(Integer number) {
        // 模擬一個耗時操作
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Processed: " + number);
        return null;
    }
}

在上述示例中，我們使用一個已完成的 CompletableFuture 作為起點。然后，我們在循環(huán)中以順序的方式將每個元素的異步任務連接起來，通過 thenComposeAsync() 方法將每個異步任務串聯起來。

通過這樣的方式，每個異步任務都會等待前一個任務完成后才會觸發(fā)執(zhí)行，從而實現了順序處理的效果。

需要注意的是，在順序處理的情況下，后續(xù)的異步任務會等待前一個任務完成后才會被觸發(fā)，所以整體的執(zhí)行時間會比并行處理長。這取決于異步任務的耗時和處理邏輯。

通過 CompletableFuture 和 Stream 的結合使用，可以快速實現復雜的異步處理和流式操作。你可以根據具體的需求和業(yè)務場景選擇合適的方式來組合它們。

七、 示例和案例分析

1. 使用CompletableFuture實現并發(fā)下載

使用 CompletableFuture 來實現并發(fā)下載是一個很常見的場景，下面是一個使用 CompletableFuture 實現并發(fā)下載的示例：

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.URL;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ConcurrentDownloader {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> urls = Arrays.asList(
                "https://example.com/image1.jpg",
                "https://example.com/image2.jpg",
                "https://example.com/image3.jpg"
        );

        // 創(chuàng)建固定大小的線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);

        // 使用 CompletableFuture 并發(fā)下載圖片
        List<CompletableFuture<Void>> downloadFutures = urls.stream()
                .map(url -> CompletableFuture.runAsync(() -> downloadImage(url), executor))
                .toList();

        // 等待所有 CompletableFuture 完成
        CompletableFuture.allOf(downloadFutures.toArray(new CompletableFuture[0]))
                .join();

        // 關閉線程池
        executor.shutdown();
    }

    private static void downloadImage(String url) {
        try (InputStream in = new URL(url).openStream();
             FileOutputStream out = new FileOutputStream(getFileName(url))) {
            byte[] buffer = new byte[4096];
            int bytesRead;
            while ((bytesRead = in.read(buffer)) != -1) {
                out.write(buffer, 0, bytesRead);
            }
            System.out.println("Downloaded: " + url);
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("Failed to download image: " + url);
        }
    }

    private static String getFileName(String url) {
        String[] segments = url.split("/");
        return segments[segments.length - 1];
    }
}

在上述示例中，我們首先創(chuàng)建了一個包含要下載圖片的 URL 列表。然后，我們創(chuàng)建了一個固定大小的線程池，通過 Executors.newFixedThreadPool(3) 創(chuàng)建了一個大小為 3 的線程池。

接下來，我們使用 CompletableFuture 和 Stream 的結合來并發(fā)下載圖片。通過 CompletableFuture.runAsync() 方法將下載圖片的邏輯包裝成一個異步任務，并指定線程池執(zhí)行該任務。然后，將所有的 CompletableFuture 收集到一個列表中。

最后，我們使用 CompletableFuture.allOf() 方法來等待所有的 CompletableFuture 完成，并通過 join() 方法阻塞當前線程，直到所有任務完成。

需要注意的是，并發(fā)下載圖片涉及到網絡 IO 操作，可能會耗費較長的時間。為了避免阻塞主線程，我們采用了異步的方式進行下載，并且使用了線程池來控制并發(fā)執(zhí)行的任務數量。

通過 CompletableFuture 的使用，我們可以簡潔地實現并發(fā)下載的功能，并可以靈活地控制并發(fā)度和線程池的大小。這樣可以提高下載效率，并充分利用可用的資源。

2. 使用CompletableFuture優(yōu)化訂單處理流程

使用 CompletableFuture 可以優(yōu)化訂單處理流程，提高效率和并發(fā)性。下面是一個使用 CompletableFuture 優(yōu)化訂單處理流程的示例：

假設有一個訂單處理系統(tǒng)，包含以下幾個步驟：驗證訂單、扣除庫存、生成發(fā)貨單、發(fā)送通知。

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class OrderProcessing {
    public static void main(String[] args) {
        CompletableFuture<Void> orderProcessingFuture = CompletableFuture.completedFuture(null);

        // 驗證訂單
        orderProcessingFuture = orderProcessingFuture.thenComposeAsync(result -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> validateOrder()))
                .thenApplyAsync(result -> {
                    if (result) {
                        System.out.println("訂單驗證通過");
                    } else {
                        System.out.println("訂單驗證失敗");
                    }
                    return result;
                });

        // 扣除庫存
        orderProcessingFuture = orderProcessingFuture.thenComposeAsync(result -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> deductInventory()))
                .thenAcceptAsync(result -> {
                    if (result) {
                        System.out.println("庫存扣除成功");
                    } else {
                        System.out.println("庫存扣除失敗");
                    }
                });

        // 生成發(fā)貨單
        orderProcessingFuture = orderProcessingFuture.thenComposeAsync(result -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> generateInvoice()))
                .thenAcceptAsync(invoice -> {
                    System.out.println("發(fā)貨單生成成功：" + invoice);
                });

        // 發(fā)送通知
        orderProcessingFuture = orderProcessingFuture.thenRunAsync(() -> sendNotification());

        // 等待訂單處理完成
        orderProcessingFuture.join();
    }

    private static boolean validateOrder() {
        // 模擬訂單驗證操作
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return true;
    }

    private static boolean deductInventory() {
        // 模擬扣除庫存操作
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return true;
    }

    private static String generateInvoice() {
        // 模擬生成發(fā)貨單操作
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "Invoice-123456";
    }

    private static void sendNotification() {
        // 模擬發(fā)送通知操作
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("通知已發(fā)送");
    }
}

在上述示例中，我們通過 CompletableFuture 來優(yōu)化訂單處理流程。每個步驟都被封裝為一個異步任務，并使用 thenComposeAsync() 方法將前一個任務的結果傳遞給下一個任務。同時，通過 thenApplyAsync()、thenAcceptAsync() 和 thenRunAsync() 方法可以在任務完成后執(zhí)行相應的操作。

在驗證訂單、扣除庫存和生成發(fā)貨單這些關鍵步驟中，我們使用 CompletableFuture.supplyAsync() 方法來創(chuàng)建異步任務。這些任務會異步地執(zhí)行相關操作，并返回結果或者不返回。

最后，在訂單處理完成后，我們使用 join() 方法阻塞主線程，等待所有任務完成。

通過使用 CompletableFuture，我們可以以一種非常直觀和簡潔的方式組織和優(yōu)化訂單處理流程。異步任務的執(zhí)行不會阻塞主線程，可以提高并發(fā)性和系統(tǒng)的響應能力。

八、總結

1. 重點總結CompletableFuture的核心概念和用法

CompletableFuture 是 Java 8 引入的一個用于處理異步編程的工具類，它提供了豐富的方法來處理異步任務和操作結果。下面是 CompletableFuture 的核心概念和用法的總結：

1. 異步任務的創(chuàng)建：使用 CompletableFuture.supplyAsync()、CompletableFuture.runAsync() 或
   CompletableFuture.completedFuture() 方法來創(chuàng)建異步任務。supplyAsync() 和
   runAsync() 分別用于有返回值和無返回值的異步任務的創(chuàng)建。

2. 異步任務的串行關系：通過 thenApply()、thenAccept()、thenRun() 方法將一個任務與另一個任務進行串聯。thenApply() 用于對上一個任務的結果進行轉換，thenAccept()
   用于消費上一個任務的結果，thenRun() 用于在上一個任務完成后執(zhí)行一段代碼。

3. 異步任務的并行關系：通過 thenCombine()、thenAcceptBoth()、runAfterBoth() 等方法將多個任務進行組合。這些方法用于在多個任務之間建立依賴關系，并在它們都完成后進行相應的操作。

4. 異步任務的異常處理：使用 exceptionally() 方法或 handle() 方法來處理異步任務中的異常。exceptionally() 方法用于處理異常，并返回一個默認值，handle()
   方法可以處理異常，并提供一個替代的計算結果。

5. 異步任務的等待和合并：使用 join() 方法等待一個任務的完成，并獲取其結果。使用 allOf() 方法等待多個任務的完成，或者使用 anyOf() 方法等待任意一個任務的完成。

6. 異步任務的組合和并發(fā)控制：使用 thenCompose()、thenCombine()、allOf() 等方法對多個任務進行組合和并發(fā)控制。thenCompose()
   用于將前一個任務的結果作為下一個任務的輸入，thenCombine() 用于將兩個任務的結果進行合并，allOf()
   用于等待多個任務的完成。

7. 線程池的使用：可以通過 CompletableFuture.runAsync()、CompletableFuture.supplyAsync() 或
   CompletableFuture.thenRunAsync() 等方法指定自定義的線程池來執(zhí)行異步任務。

CompletableFuture 提供了一種方便而強大的方式來處理異步編程，可以避免顯式地使用線程或回調函數來處理異步操作。它具有豐富的方法和組合功能，可以實現復雜的異步流程控制和并發(fā)控制。通過合理地應用 CompletableFuture，我們可以提高程序的性能和可讀性。

2. 強調CompletableFuture在多線程編程中的價值和應用場景

CompletableFuture 在多線程編程中具有重要的價值和廣泛的應用場景。下面是強調 CompletableFuture 在多線程編程中的價值和常見的應用場景：

1. 并行任務執(zhí)行：CompletableFuture 可以方便地啟動多個異步任務，并發(fā)地執(zhí)行它們，從而提高系統(tǒng)的并發(fā)性和吞吐量。通過將任務串聯或組合起來，可以構建復雜的任務流水線和并發(fā)控制邏輯。

2. 異步操作與非阻塞調用：CompletableFuture 支持異步任務的創(chuàng)建和執(zhí)行，可以在異步任務執(zhí)行過程中繼續(xù)執(zhí)行其他操作，而不需要顯式地創(chuàng)建和管理線程。這樣可以避免阻塞主線程，提高系統(tǒng)的響應能力和資源利用率。

3. 響應式編程：CompletableFuture 的鏈式操作和回調函數機制使其非常適合用于實現響應式編程模型。我們可以通過 thenApply、thenAccept、thenRun 等方法定義異步任務的處理邏輯，并在任務完成后自動觸發(fā)回調函數進行后續(xù)的操作。

4. 異常處理和容錯機制：CompletableFuture 提供了豐富的異常處理方法，例如 exceptionally、handle 等，可以方便地處理異步任務中出現的異常，并提供默認值或備用計算結果。這樣可以增強程序的健壯性和容錯性。

5. 并發(fā)控制和任務合并：CompletableFuture 提供了多種方法來控制異步任務的并發(fā)度，例如 thenCompose、thenCombine、allOf 等。通過合理地組合和并發(fā)控制，可以實現更高效的任務調度和資源管理。

6. 自定義線程池：CompletableFuture 允許我們通過指定自定義的 Executor 來執(zhí)行異步任務，從而可以靈活地控制線程池的大小、線程池的屬性等，以滿足應用程序的需求。

7. 異步 I/O 操作：CompletableFuture 還可以與異步 I/O 操作結合使用，例如與 NIO 的 AsynchronousFileChannel、AsynchronousSocketChannel 等配合，實現高效的異步文件讀寫和網絡通信。

CompletableFuture 在多線程編程中具有強大的功能和靈活的應用場景。它簡化了異步編程的復雜性，提高了代碼的可讀性和可維護性，同時也提升了系統(tǒng)的性能和并發(fā)性。無論是對于高并發(fā)的服務器端應用，還是對于異步處理的客戶端應用，CompletableFuture 都是一個強大的工具。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-668025.html

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