通过实例理解 JDK8 的 CompletableFuture

前言

Java 5 并发库主要关注于异步任务的处理，它采用了这样一种模式，producer 线程创建任务并且利用阻塞队列将其传递给任务的 consumer。这种模型在 Java 7 和 8 中进一步发展，并且开始支持另外一种风格的任务执行，那就是将任务的数据集分解为子集，每个子集都可以由独立且同质的子任务来负责处理。

这种风格的基础库也就是 fork/join 框架，它允许程序员规定数据集该如何进行分割，并且支持将子任务提交到默认的标准线程池中，也就是”通用的”ForkJoinPool。Java 8 中，fork/join 并行功能借助并行流的机制变得更加具有可用性。但是，不是所有的问题都适合这种风格的并行处理：所处理的元素必须是独立的，数据集要足够大，并且在并行加速方面，每个元素的处理成本要足够高，这样才能补偿建立 fork/join 框架所消耗的成本。CompletableFuture 类则是 Java 8 在并行流方面的创新。

准备知识

异步计算

所谓异步调用其实就是实现一个可无需等待被调用函数的返回值而让操作继续运行的方法。在 Java 语言中，简单的讲就是另启一个线程来完成调用中的部分计算，使调用继续运行或返回，而不需要等待计算结果。但调用者仍需要取线程的计算结果。

回调函数

回调函数比较通用的解释是，它是一个通过函数指针调用的函数。如果你把函数的指针（地址）作为参数传递给另一个函数，当这个指针被用为调用它所指向的函数时，我们就说这是回调函数。回调函数不是由该函数的实现方直接调用，而是在特定的事件或条件发生时由另外一方调用的，用于对该事件或条件进行响应。

回调函数的机制：

1. 定义一个回调函数；
2. 提供函数实现的一方在初始化时候，将回调函数的函数指针注册给调用者；
3. 当特定的事件或条件发生的时候，调用者使用函数指针调用回调函数对事件进行处理。

回调函数通常与原始调用者处于同一层次，如图 1 所示：

图 1. 回调函数示例图

Future 接口介绍

JDK5 新增了 Future 接口，用于描述一个异步计算的结果。虽然 Future 以及相关使用方法提供了异步执行任务的能力，但是对于结果的获取却是很不方便，只能通过阻塞或者轮询的方式得到任务的结果。阻塞的方式显然和我们的异步编程的初衷相违背，轮询的方式又会耗费无谓的 CPU 资源，而且也不能及时地得到计算结果，为什么不能用观察者设计模式呢？即当计算结果完成及时通知监听者。

有一些开源框架实现了我们的设想，例如 Netty 的 ChannelFuture 类扩展了 Future 接口，通过提供 addListener 方法实现支持回调方式的异步编程。Netty 中所有的 I/O 操作都是异步的,这意味着任何的 I/O 调用都将立即返回，而不保证这些被请求的 I/O 操作在调用结束的时候已经完成。取而代之地，你会得到一个返回的 ChannelFuture 实例，这个实例将给你一些关于 I/O 操作结果或者状态的信息。当一个 I/O 操作开始的时候，一个新的 Future 对象就会被创建。在开始的时候，新的 Future 是未完成的状态－－它既非成功、失败，也非被取消，因为 I/O 操作还没有结束。如果 I/O 操作以成功、失败或者被取消中的任何一种状态结束了，那么这个 Future 将会被标记为已完成，并包含更多详细的信息（例如：失败的原因）。请注意，即使是失败和被取消的状态，也是属于已完成的状态。阻塞方式的示例代码如清单 1 所示。

清单 1. 阻塞方式示例代码