前语

最近遇到了一个业务场景，涉及到多数据源之间的恳求的流程编列，正好看到了一篇某团介绍CompletableFuture原理和运用的技术文章，主要还是涉及运用层面。网上很多文章涉及原理的部分讲的不是特别具体且比较笼统。因为涉及到多线程的工具必需求了解原理，否则一旦遇到问题排查起来就只能凭形而上学，正好借此梳理一下CompletableFuture的作业原理

背景

咱们把Runnable了解为最基本的线程使命，只具备在线程下履行一段逻辑的才干。为了获取履行的回来值，发明了Callable和与其配合运用的Future。为了将使命之间进行逻辑编列，就诞生了CompletableFuture。关于怎样了解使命的逻辑编列，举一个简略的比方：

打开电脑-更新体系这两个操作是有先后次序的，可是泡茶和这两个操作没有先后次序，是能够并行的，而开始作业必需求等候其他操作结束之后才干进行，这就形成了使命编列的履行链。

在IO密集型体系中，相似的场景有很多。因为不同数据集的查询依靠主键不同，A数据集的查询主键是B数据集的一个字段这种情况很常见，一般还需求并发查询多个数据集的数据，所以对于多线程的履行编列是有需求的。

一种解决办法是CountDownLatch，让线程履行到某个当地后进行等候，直到依靠的使命履行结束。对于一些简略的履行链是能够满意的，可是当编列逻辑杂乱起来，CountDownLatch会导致代码难以保护和调试。所以诞生了CompletableFuture用来描绘和保护使命之间的依靠联系以进行使命编列。在实践运用中，有以下两类场景是适合运用使命编列的：

多数据源恳求的流程编列
非堵塞化网关等NIO场景

运用办法

创立与履行

同步办法

和FutureTask相似，CompletableFuture也经过get()办法获取履行成果。可是不同的是，CompletableFuture自身能够不承载可履行的使命（比较FutureTask则必须承载一个可履行的使命Callable），经过一个用于符号履行成功并设置回来值的函数，在运用上也更为灵敏，如下：

	CompletableFuture<String> demo = new CompletableFuture<>();
	demo.complete("success");
	System.out.println(demo.get());

履行成果：success

和Future相似，get()函数也是同步堵塞的，调用get函数后线程会堵塞直到调用complete办法符号使命现已履行成功。

除了手动触发使命的完结，也能够让创立目标的一起就符号使命完结：

	CompletableFuture<String> demo = CompletableFuture.completedFuture("success");
	System.out.println(demo.get());

履行成果：success

异步办法

比较于同步办法，异步履行更为常见。比方下面这个比方：

        CompletableFuture<String> demo = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("do something by thread" + Thread.currentThread().getName());
            return "success";
        });
        System.out.println(demo.get());

履行成果：
do something by threadForkJoinPool.commonPool-worker-9
success

supplyAsync办法接纳一个Supplier目标，逻辑函数交给线程池中的线程异步履行

默许会运用ForkJoinPool的公共线程池来履行代码（不推荐），当然也能够指定线程池，如下：

	ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
    CompletableFuture<String> demo = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("do something by thread" + Thread.currentThread().getName());
        return "success";
    }, executor);
    System.out.println(demo.get());

履行成果：
do something by threadpool-1-thread-1
success

假如不需求履行成果，也能够用runAsync办法：

	CompletableFuture.runAsync(() -> {
        System.out.println("do something by thread" + Thread.currentThread().getName());
    });

履行成果：
do something by threadForkJoinPool.commonPool-worker-9

多使命编列

多使命编列是CompletableFuture的中心，这儿列举不同的场景来进行阐明

一元依靠

过程2需求依靠过程1履行结束才干履行，相似主线程的次序履行，能够经过以下办法完结：

      ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
      CompletableFuture<String> step1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("履行【过程1】");
        return "【过程1的履行成果】";
      }, executor);
      CompletableFuture<String> step2 = step1.thenApply(result -> {
        System.out.println("上一步操作成果为：" + result);
        return "【过程2的履行成果】";
      });
      System.out.println("过程2的履行成果：" + step2.get());

履行成果：
履行【过程1】
上一步操作成果为：【过程1的履行成果】
过程2的履行成果：【过程2的履行成果】

经过thenApply办法，接纳上一个CompletableFuture目标的回来值，其间隐含的逻辑是，该处逻辑只有等上一个CompletableFuture目标履行完后才会履行

二元依靠

比较于一元依靠的次序履行链，二元依靠更为常见，比方下面这个场景：

过程1和2是并行的，而过程3需求等过程1和2履行完之后才干履行，经过CompletableFuture是这么完结的：

        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
        CompletableFuture<String> step1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("履行【过程1】");
            return "【过程1的履行成果】";
        }, executor);
        CompletableFuture<String> step2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("履行【过程2】");
            return "【过程2的履行成果】";
        }, executor);
        CompletableFuture<String> step3 = step1.thenCombine(step2, (result1, result2) -> {
            System.out.println("前两步操作成果分别为：" + result1 + result2);
            return "【过程3的履行成果】";
        });
        System.out.println("过程3的履行成果：" + step3.get());

履行成果：
履行【过程1】
履行【过程2】
前两步操作成果分别为：【过程1的履行成果】【过程2的履行成果】
过程3的履行成果：【过程3的履行成果】

经过thenCombine办法，等候step1和step2都履行结束后，获取其回来成果并履行一段新的逻辑

多元依靠

当然还可能有下面这种场景，过程M需求依靠1-N的N个前置节点：

这种情况会更为杂乱，完结办法如下：

    	ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
        CompletableFuture<String> step1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("履行【过程1】");
            return "【过程1的履行成果】";
        }, executor);
        CompletableFuture<String> step2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("履行【过程2】");
            return "【过程2的履行成果】";
        }, executor);
        CompletableFuture<String> step3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("履行【过程3】");
            return "【过程3的履行成果】";
        }, executor);
        CompletableFuture<Void> stepM = CompletableFuture.allOf(step1, step2, step3);
        CompletableFuture<String> stepMResult = stepM.thenApply(res -> {
           // 经过join函数获取回来值
           String result1 = step1.join();
           String result2 = step2.join();
           String result3 = step3.join();
           return result1 + result2 + result3;
        });
        System.out.println("过程M的成果：" + stepMResult.get());

履行成果：
履行【过程1】
履行【过程2】
履行【过程3】
过程M的成果：【过程1的履行成果】【过程2的履行成果】【过程3的履行成果】

经过allOf函数声明当参数中的全部使命履行结束后，才会履行下一步操作，可是要注意，allOf自身仅仅界说节点，真实堵塞的方位是thenApply函数。

和之前的办法不同，因为采用了不定变量，所以要经过CompletableFuture#join来获取每个使命的回来值。

除了allOf之外，假如咱们需求恣意一个使命完结后就履行下一步操作，能够运用anyOf办法，如下：

    // step1/2/3的界说相同
		// ...
		CompletableFuture<Object> stepM = CompletableFuture.anyOf(step1, step2, step3);
    System.out.println("过程M的成果：" + stepM.get());

履行成果：
过程M的成果：【过程1的履行成果】

与allOf不同，anyOf的回来值即为榜首个履行结束的使命

作业原理

概念

在讲原理之前，先来了解一下CompletableFuture的界说。在完结上，CompletableFuture承继了Future和CompletionStage

Future毋庸置疑，CompletableFuture最基本的才干便是获取异步计算的成果。CompletionStage则是声明了编列节点的才干，每一个CompletionStage都声明了流程树上的一个节点（见下图）

CompletionStage声明的接口thenXXX，包括thenApply、thenCompose等，界说了节点之间的连接办法（实践情况更为杂乱，具体原理参考下节函数剖析），经过这种办法，终究界说出一颗流程树，从而完结了多线程的使命编列。CompletionStage的办法回来值一般是另一个CompletionStage，从而构成了链式调用。

结构剖析

CompletableFuture里包括两个变量，result和stack

result很好了解，便是当时节点的履行成果。stack就比较杂乱，是一个无锁并发栈，声明了当时节点履行结束后要触发的节点列表，接下来咱们具体讲一下

CompletableFuture中的栈规划

Completion是一个无锁并发栈，声明了当时节点履行结束后要触发的节点列表。在结构上是一个链式节点，其间只包括了一个指向下一个节点的next目标

咱们能够看到Completion有繁多的完结类，表明不同的依靠办法。

咱们知道，在CompletableFuture中的流程编列是经过thenApply、thenAccept、thenCombine等办法来完结的，

thenApply：接纳上一步的处理成果，进行下一步消费，并回来成果
thenAccept：和thenApply相似，不过无成果回来
thenCombine：一起接纳两个流程节点，等其都履行结束后一起处理成果

每个函数实践分别对应了一种Completion完结类，以刚才的三种函数为例，分别对应了UniApply、UniAccept、UniCombine三个目标。所以Completion能够以为是流程编列逻辑的笼统目标，能够了解为流程节点，或许使命节点。

以UniCompletion为例，结构如下：

abstract static class UniCompletion<T,V> extends Completion {
    Executor executor;                 // 线程池
    CompletableFuture<V> dep;          // 完结使命依靠的cf
    CompletableFuture<T> src;          // 完结使命所需资源地点的cf
    /**
     * 假如使命能够被履行则回来true，经过FJ符号位保证只有一个线程判别成功。
     * 假如使命是异步的，则在使命启动后经过tryFire来履行使命
     */
    final boolean claim() {
        Executor e = executor;
        if (compareAndSetForkJoinTaskTag((short)0, (short)1)) {
            if (e == null)
                return true;
            executor = null; // disable
            e.execute(this);
        }
        return false;
    }
    /**
     * 假如dep不为空回来true，用以判别当时使命节点是否已被激活
     */
    final boolean isLive() {
        return dep != null;
    }
}

先来看claim函数，这个比较简单解说，该函数用于判别使命是否可被履行。经过compareAndSetForkJoinTaskTag函数的CAS操作保证只有一个线程履行成功，主要作用便是在多线程情况下保证使命的正确履行。

接下来便是重头戏，源使命与依靠使命，这两个概念是CompletableFuture的中心，贯穿了全部逻辑的履行，只有了解了这两个概念，才干对履行原理有比较透彻的了解

源使命与依靠使命

源使命和依靠使命在UniCompletion中分别为src和dep特点，举个具体的比方，比方下面这段代码：

CompletableFuture<String> a = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return "A";
});
CompletableFuture<String> b = a.thenApply(res -> {
    return "B " + res;
});

调用a.thenApply(Function fn)时，能够以为是生成了一个UniApply的流程节点（具体怎样生成的下文会提到），其间源使命便是a，而依靠使命则是thenApply的回来值。

换个简略的说法，在上面的代码中，咱们有a、b两个使命，b使命的完结需求依靠于a使命的完结，所以a会生成一个流程节点（UniApply目标），其间包括了b想要履行完结的全部资源（a的履行成果等），这时a使命就叫做源使命（因为a使命中有使命资源）。而b使命需求依靠a使命来完结，所以b使命叫做依靠使命。

源使命的完结会触发依靠使命的履行，这个便是使命编列的基本原理

函数剖析

在本节中，CompletableFuture因为名字太长，会以cf来代指

因为thenAccept、thenCombine函数等逻辑比较相似，咱们以最根底的thenApply函数为例进行剖析

中心函数

咱们先不要直接从thenApply、complete等函数入手，咱们先来看这几个中心函数，不明白做什么的不要紧，先了解这几个函数的原理就好

uniApply

CompletableFuture的逻辑在于“只有当X条件满意时，再履行Y逻辑”，uniApply函数便是担任这样的逻辑判别，首要看源码：

final <S> boolean uniApply(CompletableFuture<S> a,
                            Consumer<? super S> f, UniApply<S> c) {
    Object r; Throwable x;
    // 1
    if (a == null || (r = a.result) == null || f == null)
        return false;
    tryComplete: if (result == null) {
        if (r instanceof AltResult) {
            if ((x = ((AltResult)r).ex) != null) {
                completeThrowable(x, r);
                break tryComplete;
            }
            r = null;
        }
        try {
            // 2
            if (c != null && !c.claim())
                return false;
            // 3
            S s = (S) r;
            completeValue(f.apply(s));
        } catch (Throwable ex) {
            completeThrowable(ex);
        }
    }
    return true;
}

整个办法能够分为三段（已在代码中标出），咱们分隔来说。

榜首段，判别所给的使命节点是否现已履行结束，假如现已履行结束则进入下一步

第二段，假如有相关的流程节点，则经过claim函数判别当时使命是否可被履行，假如可履行则进入下一步（保证多线程情况下使命的正确履行）

第三段，履行传入的函数并把值设置到当时目标中。

整个逻辑是这样的，首要咱们传入了一个cf目标、一个函数，和一个流程节点。只有当传入的cf目标履行完结（result不为空），再履行给定的函数，并把履行成果设置到当时目标中。假如不考虑特殊情况，uniApply办法用一句话解说便是：假如给定的使命现已履行结束，就履行传入的函数并把履行成果设置到当时目标中

tryFire

uniApply函数仅仅是一个有条件的函数履行器，真实想要达到使命编列还需求其他函数的参与，咱们先来看tryFire办法：

final CompletableFuture<V> tryFire(int mode) {
            CompletableFuture<V> d; CompletableFuture<T> a;
    if ((d = dep) == null ||
        !d.uniApply(a = src, fn, mode > 0 ? null : this))
        return null;
    dep = null; src = null; fn = null;
    return d.postFire(a, mode);
}

tryFire依据相关联系的不同有多种完结，实践履行流程相差不大，这儿以常用的UniApply的完结来举例。

首要这个办法接纳了一个mode参数，有以下几种取值：

-1：传播形式，或许叫嵌套形式。表明使命实践现已履行结束，仅仅在传递状态
0：同步形式。使命由当时线程调用处理
1：异步形式。使命需求提交到指定线程池处理

依据mode的不同，实践tryFire履行的流程也会发生很大差异。不过归根结底，tryFire办法的本质是调用了uniApply履行一次使命，假如履行成功，则会清空dep、src等自身特点（清空之后isLive办法会回来false，表明使命现已履行结束），一起经过postFire办法履行该使命下的其他依靠使命，完结使命的传播履行。

postFire办法因为和tryFire办法相关比较亲近，这儿放在一起阐明：

final CompletableFuture<T> postFire(CompletableFuture<?> a, int mode) {
        if (a != null && a.stack != null) {
            if (mode < 0 || a.result == null)
                a.cleanStack();
            else
                a.postComplete();
        }
        if (result != null && stack != null) {
            if (mode < 0)
                return this;
            else
                postComplete();
        }
        return null;
}

这儿简略概括一下履行原理，假如是嵌套形式，则整理栈内无效使命，并回来目标自身（能够以为什么都没做）；否则经过postComplete办法履行栈内依靠此使命的其他使命项

postComplete

当一个CompletionStage履行完结之后，会触发依靠它的其他CompletionStage的履行，这些Stage的履行又会触发新一批的Stage履行，这便是使命的次序编列

假如说uniApply是根底功能，是担任线程安全且恪守依靠次序地履行一个函数，那么postComplete便是中心逻辑，担任当一个使命履行结束后触发依靠该使命的其他使命项，先来看源码：

final void postComplete() {
    CompletableFuture<?> f = this; Completion h;
    // 1
    while ((h = f.stack) != null ||
           (f != this && (h = (f = this).stack) != null)) {
        CompletableFuture<?> d; Completion t;
        // 2
        if (f.casStack(h, t = h.next)) {
            if (t != null) {
                if (f != this) {
                    pushStack(h);
                    continue;
                }
                h.next = null;    // detach
            }
            // 3
            f = (d = h.tryFire(NESTED)) == null ? this : d;
        }
    }
}

在源码上符号了三个方位，分别代表三层结构，首要是榜首层while循环，只需当时目标栈中还有流程节点，那么就循环履行内部逻辑。

第二层，因为continue的存在，和榜首层结合起来看便是一个批量压栈的操作，将全部需求触发的依靠树按次序压入当时目标栈中。

第三层，经过tryFire按次序触发栈中全部的依靠使命。上节咱们能够看到tryFire函数内依据mode的不同会触发不同的逻辑，这儿mode指定为NESTED便是为了避免循环调用postComplete

履行函数

几个中心函数介绍完了，接下来咱们回到最外层，来看看使命是怎样履行的，首要咱们以thenApply为例剖析中心履行函数

supplyAsync（实践调用为asyncSupplyStage）

该办法用于提交一个使命到线程池中履行，并将该使命打包为一个CompletableFuture节点

static <U> CompletableFuture<U> asyncSupplyStage(Executor e, Supplier<U> f) {
    if (f == null) throw new NullPointerException();
    CompletableFuture<U> d = new CompletableFuture<U>();
    e.execute(new AsyncSupply<U>(d, f));
    return d;
}

其间AsyncSupply完结了Runnable接口，所以了解为一种特殊的使命即可。这种使命在履行完结后会调用completeValue将函数履行的成果设置当时目标中。

所以全体逻辑为，首要创立一个cf目标，并立即将使命添加到线程池履行，在履行结束后会将使命履行的成果保存到所创立的cf目标中。

complete

public boolean complete(T value) {
    boolean triggered = completeValue(value);
	postComplete();
	return triggered;
}

该办法直接调用completeValue办法设置值，设置完值之后调用postComplete办法来依次履行后续使命。当调用该办法时，会完结使命的依靠扩散履行

thenApply（实践调用为uniApplyStage）

private <V> CompletableFuture<V> uniApplyStage(
    	Executor e, Function<? super T,? extends V> f) {
    if (f == null) throw new NullPointerException();
    CompletableFuture<V> d =  new CompletableFuture<V>();
    if (e != null || !d.uniApply(this, f, null)) {
        UniApply<T,V> c = new UniApply<T,V>(e, d, this, f);
        push(c);
        c.tryFire(SYNC);
    }
    return d;
}

结合上节剖析的中心函数，咱们很简单能够剖析该函数的流程：履行function函数，假如条件不满意则履行失败，会生成一个流程节点并压入栈，一起再经过tryFire再测验履行一次，假如条件仍然不满意，那么只能等候所依靠的使命履行完结后经过postComplete触发履行。

get

public T get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    Object r;
    return reportGet((r = result) == null ? waitingGet(true) : r);
}

办法中心在于waitingGet，内部运用了ForkJoinPool.managedBlock来堵塞线程直到履行结束

流程剖析

在函数剖析中，咱们实践现已阐明了使命依靠履行的基本原理，这儿为了更为具体地阐明，咱们以一个简略的比方来剖析。

首要咱们抛开全部杂乱的因素，以最基本的同步串行代码来讲，咱们现在有这样一个目标：

    CompletableFuture<String> A = new CompletableFuture<>();

然后咱们这时候给其加上了使命编列，增加了一个thenApply依靠

    AtomicInteger seq = new AtomicInteger(0);
    Function<String, String> func = s -> s + " | " + seq.incrementAndGet();
    CompletableFuture<String> a = new CompletableFuture<>();
    CompletableFuture<String> b = a.thenApply(func);

所以咱们就有了这样一个结构，A的stack中压入了一个Completion节点，该节点的源使命指向A自身，而依靠使命指向了B，表明B使命依靠A使命的履行。

接下来咱们再加一条依靠

    AtomicInteger seq = new AtomicInteger(0);
    Function<String, String> func = s -> s + " | " + seq.incrementAndGet();
    CompletableFuture<String> a = new CompletableFuture<>();
    CompletableFuture<String> b = a.thenApply(func);
	  CompletableFuture<String> c = a.thenApply(func);

咱们会发现两个特色：

和栈的性质相同，越晚添加的编列逻辑越早被履行
根据同一个目标衍生出来的流程节点的源使命是一致的

以此类推，thenXXX的其他逻辑也是相似的原理，当a调用complete函数时（无论是同步还是异步），都会依次触发A使命的stack下挂接的其他依靠使命。而只需a没有调用complete函数，那么thenApply中挂接的依靠使命无论怎样都无法履行（因为a目标的result特点为空）

注意事项

避免主使命和子使命向同一个线程池中请求线程，因为存在依靠联系，当经过join来获取子使命的值时，一旦子使命因为线程队列已满进入堵塞队列，那么将会形成死锁

任务编排：CompletableFuture从入门到精通

前语

背景

运用办法

创立与履行

同步办法

异步办法

多使命编列

一元依靠

二元依靠

多元依靠

作业原理

概念

结构剖析

CompletableFuture中的栈规划

源使命与依靠使命

函数剖析

中心函数

uniApply

tryFire

postComplete

履行函数

supplyAsync（实践调用为asyncSupplyStage）

complete

thenApply（实践调用为uniApplyStage）

get

流程剖析

注意事项

作者信息

任务编排：CompletableFuture从入门到精通

前语

背景

运用办法

创立与履行

同步办法

异步办法

多使命编列

一元依靠

二元依靠

多元依靠

作业原理

概念

结构剖析

CompletableFuture中的栈规划

源使命与依靠使命

函数剖析

中心函数

uniApply

tryFire

postComplete

履行函数

supplyAsync（实践调用为asyncSupplyStage）

complete

thenApply（实践调用为uniApplyStage）

get

流程剖析

注意事项

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