了解 Future的同事，都清楚Future没法直接对多个任务进行链式、组合等处理，需要借助并发工具类才能完成，实现逻辑比较复杂。同时，获取结果的get()方法也会阻塞当前线程。

CompletableFuture常用方法归类:

分类	方法	说明	返回值
异步执行一个线程	runAsync(Runnable) supplyAsync(Supplier)	默认使用ForkJoinPool.commonPool线程池,也可通过Executor参数指定线程池	runAsync无返回值，supplyAsync有返回值。 调用get(),join()返回阻塞等待线程结束
两个线程一次执行	thenApply	获取前一个线程的结果，进行转换	有返回值
	thenAccept	获取前一个线程的结果，消费	无返回值
	thenRun	忽略前一个线程的结果，执行额外的逻辑	无返回值
	whenComplete	获取前一个线程的结果或异常，消费	不影响上一线程的返回值
	exceptionally	前面线程异常时执行，一般跟whenComplete配合使用。捕获异常范围和前面所有异步线程，如：thenApply().thenAccept().exceptionally()	有返回值
	handle	相当于whenComplete和exceptionally的组合。根据是否产生异常，内部if else分支处理业务逻辑	有返回值
等待两个线程都执行完	thenCombine	2个线程都要有返回值，等待都结束，结果合并转换	有返回值
	thenAcceptBoth	2个线程都要有返回值，等待都结束，结果合并消费	无返回值
	runAfterBoth	2个线程无需要有返回值，等待都结束，执行其他逻辑	无返回值
等待两个线程任一执行完	applyToEither	2个线程都要有返回值，等待任一先结束，转换其结果	有返回值
	acceptToEither	2个线程都要有返回值，等待任一先结束，消费其结果	无返回值
	runAfterEither	2个线程无需有返回值，等待任一先结束，执行其他逻辑	无返回值
多个线程等待	CompletableFuture.anyOf(cf1,cf2,cf3).join()	多个任务任一执行完即返回	有返回值Object
	CompletableFuture.all(cf1,cf2,cf3).join()	多个任务全部执行完返回	无返回值

一、CompletableFuture 介绍

JDK1.8中的CompletableFuture是对Future的扩展和加强。实现了CompletionStage和Future接口，前者是对后者的一个扩展，增加了异步回调、流式处理、多个Future组合处理的能力和通过回调的方式处理计算结果，使Java在处理多任务的协同工作时更加顺畅便利。

CompletionStage接口定义了任务编排的方法，可以向下执行后续阶段。异步执行的，默认线程池是ForkJoinPool.commonPool()，但为了业务之间互不影响，且便于定位问题，强烈推荐使用自定义线程池。

CompletableFuture中默认线程池如下：

// 根据commonPool的并行度来选择,而并行度的计算是在ForkJoinPool的静态代码段完成的
private static final boolean useCommonPool =
    (ForkJoinPool.getCommonPoolParallelism() > 1);

private static final Executor asyncPool = useCommonPool ?
    ForkJoinPool.commonPool() : new ThreadPerTaskExecutor();


//forkJoinPool中初始化commonPool的参数
static {
    // initialize field offsets for CAS etc
    try {
        U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
        Class<?> k = ForkJoinPool.class;
        CTL = U.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("ctl"));
        RUNSTATE = U.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("runState"));
        STEALCOUNTER = U.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("stealCounter"));
        Class<?> tk = Thread.class;
        ……
    } catch (Exception e) {
        throw new Error(e);
    }

    commonMaxSpares = DEFAULT_COMMON_MAX_SPARES;
    defaultForkJoinWorkerThreadFactory =
        new DefaultForkJoinWorkerThreadFactory();
    modifyThreadPermission = new RuntimePermission("modifyThread");

    // 调用makeCommonPool方法创建commonPool,其中并行度为逻辑核数-1
    common = java.security.AccessController.doPrivileged
        (new java.security.PrivilegedAction<ForkJoinPool>() {
            public ForkJoinPool run() { return makeCommonPool(); }});
    int par = common.config & SMASK; // report 1 even if threads disabled
    commonParallelism = par > 0 ? par : 1;
}

二、异步操作

CompletableFuture提供了四个静态方法来创建一个异步操作：

public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable)
public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor)
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier)
public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor)

4个方法详解：
【1】runAsync()以Runnable函数式接口类型为参数，没有返回结果，supplyAsync()以Supplier函数式接口类型为参数，返回结果类型为U；Supplier接口的get()是有返回值的(会阻塞)
【2】使用没有指定Executor的方法时，内部使用ForkJoinPool.commonPool()作为它的线程池执行异步代码。如果指定线程池，则使用指定的线程池运行
【3】默认情况下CompletableFuture会使用公共的ForkJoinPool线程池，这个线程池默认创建的线程数是CPU的核数（也可以通过JVM option:-Djava.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism来设置ForkJoinPool线程池的线程数）。如果所有CompletableFuture共享一个线程池，那么一旦有任务执行一些很慢的I/O操作，就会导致线程池中所有线程都阻塞在I/O操作上，从而造成线程饥饿，进而影响整个系统的性能。所以，强烈建议你要根据不同的业务类型创建不同的线程池，以避免互相干扰

异步操作

Runnable runnable = () -> System.out.println("无返回结果异步任务");
CompletableFuture.runAsync(runnable);

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("有返回值的异步任务");
    try {
        Thread.sleep(5000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return "Hello World";
});
String result = future.get();

join()和get()方法都是用来获取CompletableFuture异步之后的返回值。join()方法抛出的是uncheck异常（即未经检查的异常),不会强制开发者抛出。get()方法抛出的是经过检查的异常，ExecutionException, InterruptedException需要用户手动处理, 抛出或者 try catch

结果处理： 当CompletableFuture的计算结果完成，或者抛出异常的时候，我们可以执行特定的Action。主要是下面的方法：

public CompletableFuture<T> whenComplete(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action)
public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action)
public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(BiConsumer<? super T,? super Throwable> action, Executor executor)

【1】Action的类型是BiConsumer<? super T,? super Throwable>，它可以处理正常的计算结果，或者异常情况
【2】方法不以Async结尾，意味着Action使用相同的线程执行，而Async可能会使用其它的线程去执行(如果使用相同的线程池，也可能会被同一个线程选中执行)
【3】这几个方法都会返回CompletableFuture，当Action执行完毕后它的结果返回原始的CompletableFuture的计算结果或者返回异常

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    } catch (InterruptedException e) {
    }
    if (new Random().nextInt(10) % 2 == 0) {
        int i = 12 / 0;
    }
    System.out.println("执行结束！");
    return "test";
});
// 任务完成或异常方法完成时执行该方法
// 如果出现了异常,任务结果为null
future.whenComplete(new BiConsumer<String, Throwable>() {
    @Override
    public void accept(String t, Throwable action) {
        System.out.println(t+" 执行完成！");
    }
});
// 出现异常时先执行该方法
future.exceptionally(new Function<Throwable, String>() {
    @Override
    public String apply(Throwable t) {
        System.out.println("执行失败：" + t.getMessage());
        return "异常xxxx";
    }
});

future.get();

代码出现异常时，输出结果如下:

执行失败：java.lang.ArithmeticException: / by zero
null 执行完成！

三、链式操作

将上一段任务的执行结果传入下一阶段重新计算，产生新的结果。

thenApply

thenApply接收一个函数作为参数，使用该函数处理上一个CompletableFuture调用的结果，并返回一个具有处理结果的Future对象。

public <U> CompletableFuture<U> thenApply(Function<? super T,? extends U> fn)
public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(Function<? super T,? extends U> fn)

// 具体使用
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    int result = 100;
    System.out.println("第一次运算：" + result);
    return result;
}).thenApply(number -> {
    int result = number * 3;
    System.out.println("第二次运算：" + result);
    return result;
});

thenCompose

thenCompose的参数为一个返回CompletableFuture实例的函数，该函数的参数是先前计算步骤的结果。

public <U> CompletableFuture<U> thenCompose(Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn);
public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn) ;

// 具体使用
CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture
    .supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
        @Override
        public Integer get() {
            int number = new Random().nextInt(30);
            System.out.println("第一次运算：" + number);
            return number;
        }
    })
    .thenCompose(new Function<Integer, CompletionStage<Integer>>() {
        @Override
        public CompletionStage<Integer> apply(Integer param) {
            return CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
                @Override
                public Integer get() {
                    int number = param * 2;
                    System.out.println("第二次运算：" + number);
                    return number;
                }
            });
        }
    });

thenApply 和 thenCompose的区别：
【1】thenApply转换的是泛型中的类型，返回的是同一个CompletableFuture
【2】thenCompose将内部的CompletableFuture调用展开来并使用上一个CompletableFutre调用的结果在下一步的CompletableFuture调用中进行运算，是生成一个新的CompletableFuture

四、消费结果

与上述返回新的CompletableFuture不同，结果消费系列函数只对结果执行Action，而不返回新的计算值

thenAccept

对单个结果进行消费，观察该系列函数的参数类型可知，它们是函数式接口Consumer，这个接口只有输入，没有返回值。

public CompletionStage<Void> thenAccept(Consumer<? super T> action);
public CompletionStage<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action);

// 使用
CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture
    .supplyAsync(() -> {
        int number = new Random().nextInt(10);
        System.out.println("第一次运算：" + number);
        return number;
    }).thenAccept(number ->
                  System.out.println("第二次运算：" + number * 5));

thenAcceptBoth

thenAcceptBoth函数的作用是，当两个CompletionStage都正常完成计算的时候，就会执行提供的action消费两个异步的结果。

public <U> CompletionStage<Void> thenAcceptBoth(CompletionStage<? extends U> other,BiConsumer<? super T, ? super U> action);
public <U> CompletionStage<Void> thenAcceptBothAsync(CompletionStage<? extends U> other,BiConsumer<? super T, ? super U> action);

// 使用
CompletableFuture<Integer> futrue1 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
    @Override
    public Integer get() {
        int number = new Random().nextInt(3) + 1;
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(number);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("任务1结果：" + number);
        return number;
    }
});

CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
    @Override
    public Integer get() {
        int number = new Random().nextInt(3) + 1;
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(number);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("任务2结果：" + number);
        return number;
    }
});

futrue1.thenAcceptBoth(future2, new BiConsumer<Integer, Integer>() {
    @Override
    public void accept(Integer x, Integer y) {
        System.out.println("最终结果：" + (x + y));
    }
});

thenRun

thenRun也是对线程任务结果的一种消费函数，与thenAccept不同的是，thenRun会在上一阶段CompletableFuture计算完成的时候执行一个Runnable，而Runnable并不使用该CompletableFuture计算的结果。

public CompletionStage<Void> thenRun(Runnable action);
public CompletionStage<Void> thenRunAsync(Runnable action);

// 使用
CompletableFuture<Integer> futrue1 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
    @Override
    public Integer get() {
        int number = new Random().nextInt(3) + 1;
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(number);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("任务1结果：" + number);
        return number;
    }
});

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    int number = new Random().nextInt(10);
    System.out.println("第一阶段：" + number);
    return number;
}).thenRun(() -> System.out.println("thenRun 执行"));

五、组合结果

thenCombine

合并两个线程任务的结果，并进一步处理。

public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombine(CompletionStage<? extends U> other,BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn);

public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other,BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn);

public <U,V> CompletableFuture<V> thenCombineAsync(CompletionStage<? extends U> other,BiFunction<? super T,? super U,? extends V> fn, Executor executor);

// 使用
CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture
    .supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
        @Override
        public Integer get() {
            int number = new Random().nextInt(10);
            System.out.println("任务1结果：" + number);
            return number;
        }
    });
CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture
    .supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
        @Override
        public Integer get() {
            int number = new Random().nextInt(10);
            System.out.println("任务2结果：" + number);
            return number;
        }
    });
CompletableFuture<Integer> result = future1
    .thenCombine(future2, new BiFunction<Integer, Integer, Integer>() {
        @Override
        public Integer apply(Integer x, Integer y) {
            return x + y;
        }
    });
System.out.println("组合后结果：" + result.get());

六、任务交互

线程交互指将两个线程任务获取结果的速度相比较，按一定的规则进行下一步处理。

applyToEither

两个线程任务相比较，先获得执行结果的，就对该结果进行下一步的转化操作。

public <U> CompletionStage<U> applyToEither(CompletionStage<? extends T> other,Function<? super T, U> fn);
public <U> CompletionStage<U> applyToEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other,Function<? super T, U> fn);

CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture
    .supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
        @Override
        public Integer get() {
            int number = new Random().nextInt(10);
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(number);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("任务1结果:" + number);
            return number;
        }
    });
CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
    @Override
    public Integer get() {
        int number = new Random().nextInt(10);
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(number);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("任务2结果:" + number);
        return number;
    }
});

future1.applyToEither(future2, new Function<Integer, Integer>() {
    @Override
    public Integer apply(Integer number) {
        System.out.println("最快结果：" + number);
        return number * 2;
    }
});

acceptEither

两个线程任务相比较，先获得执行结果的，就对该结果进行下一步的消费操作。

public CompletionStage<Void> acceptEither(CompletionStage<? extends T> other,Consumer<? super T> action);
public CompletionStage<Void> acceptEitherAsync(CompletionStage<? extends T> other,Consumer<? super T> action);

CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
    @Override
    public Integer get() {
        int number = new Random().nextInt(10) + 1;
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(number);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("第一阶段：" + number);
        return number;
    }
});

CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
    @Override
    public Integer get() {
        int number = new Random().nextInt(10) + 1;
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(number);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("第二阶段：" + number);
        return number;
    }
});

future1.acceptEither(future2, new Consumer<Integer>() {
    @Override
    public void accept(Integer number) {
        System.out.println("最快结果：" + number);
    }
});

runAfterEither

两个线程任务相比较，有任何一个执行完成，就进行下一步操作，不关心运行结果。

public CompletionStage<Void> runAfterEither(CompletionStage<?> other,Runnable action);
public CompletionStage<Void> runAfterEitherAsync(CompletionStage<?> other,Runnable action);

CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
    @Override
    public Integer get() {
        int number = new Random().nextInt(5);
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(number);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("任务1结果：" + number);
        return number;
    }
});

CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
    @Override
    public Integer get() {
        int number = new Random().nextInt(5);
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(number);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("任务2结果:" + number);
        return number;
    }
});

future1.runAfterEither(future2, new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("已经有一个任务完成了");
    }
}).join();

anyOf

anyOf()的参数是多个给定的CompletableFuture，当其中的任何一个完成时，方法返回这个CompletableFuture。

public static CompletableFuture<Object> anyOf(CompletableFuture<?>... cfs)

Random random = new Random();
CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(random.nextInt(5));
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return "hello";
});

CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(random.nextInt(1));
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return "world";
});
CompletableFuture<Object> result = CompletableFuture.anyOf(future1, future2);

allOf

allOf方法用来实现多CompletableFuture的同时返回。

public static CompletableFuture<Void> allOf(CompletableFuture<?>... cfs)

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("future1完成！");
    return "future1完成！";
});

CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("future2完成！");
    return "future2完成！";
});

CompletableFuture<Void> combindFuture = CompletableFuture.allOf(future1, future2);

try {
    combindFuture.get();
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

七、使用案例

实现最优的“烧水泡茶”程序。著名数学家华罗庚先生在《统筹方法》这篇文章里介绍了一个烧水泡茶的例子，文中提到最优的工序应该是下面这样：

T1 流程：洗水壶(1分钟) -> 烧开水(15分钟) ->       
                                                        -> 泡茶（结果）   
T2 流程：洗茶壶(1分钟) -> 洗茶杯(2分钟) -> 拿茶叶(1分钟)

对于烧水泡茶这个程序，一种最优的分工方案：用两个线程 T1 和 T2 来完成烧水泡茶程序，T1 负责洗水壶、烧开水、泡茶这三道工序，T2 负责洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶三道工序，其中 T1 在执行泡茶这道工序时需要等待 T2 完成拿茶叶的工序。

基于Future实现

public class FutureTaskTest{

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 创建任务T2的FutureTask
        FutureTask<String> ft2 = new FutureTask<>(new T2Task());
        // 创建任务T1的FutureTask
        FutureTask<String> ft1 = new FutureTask<>(new T1Task(ft2));

        // 线程T1执行任务ft2
        Thread T1 = new Thread(ft2);
        T1.start();
        // 线程T2执行任务ft1
        Thread T2 = new Thread(ft1);
        T2.start();
        // 等待线程T1执行结果
        System.out.println(ft1.get());

    }
}

// T1Task需要执行的任务：
// 洗水壶、烧开水、泡茶
class T1Task implements Callable<String> {
    FutureTask<String> ft2;
    // T1任务需要T2任务的FutureTask
    T1Task(FutureTask<String> ft2){
        this.ft2 = ft2;
    }
    @Override
    public String call() throws Exception {
        System.out.println("T1:洗水壶...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        System.out.println("T1:烧开水...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(15);
        // 获取T2线程的茶叶
        String tf = ft2.get();
        System.out.println("T1:拿到茶叶:"+tf);

        System.out.println("T1:泡茶...");
        return "上茶:" + tf;
    }
}
// T2Task需要执行的任务:
// 洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶
class T2Task implements Callable<String> {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        System.out.println("T2:洗茶壶...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        System.out.println("T2:洗茶杯...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

        System.out.println("T2:拿茶叶...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        return "龙井";
    }
}

基于CompletableFuture实现

public class CompletableFutureTest {

    public static void main(String[] args) {

        //任务1：洗水壶->烧开水
        CompletableFuture<Void> f1 = CompletableFuture
            .runAsync(() -> {
                System.out.println("T1:洗水壶...");
                sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

                System.out.println("T1:烧开水...");
                sleep(15, TimeUnit.SECONDS);
            });
        //任务2：洗茶壶->洗茶杯->拿茶叶
        CompletableFuture<String> f2 = CompletableFuture
            .supplyAsync(() -> {
                System.out.println("T2:洗茶壶...");
                sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

                System.out.println("T2:洗茶杯...");
                sleep(2, TimeUnit.SECONDS);

                System.out.println("T2:拿茶叶...");
                sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
                return "龙井";
            });
        //任务3：任务1和任务2完成后执行：泡茶
        CompletableFuture<String> f3 = f1.thenCombine(f2, (__, tf) -> {
            System.out.println("T1:拿到茶叶:" + tf);
            System.out.println("T1:泡茶...");
            return "上茶:" + tf;
        });
        //等待任务3执行结果
        System.out.println(f3.join());
    }

    static void sleep(int t, TimeUnit u){
        try {
            u.sleep(t);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
    }
}

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