CompletableFuture的使用与异步编程

# 1. 介绍

### 1.1 什么是CompletableFuture

CompletableFuture是Java8引入的一个类，用于支持异步编程。它是一个实现了Future接口的可完成性Future，可以用来执行异步计算，并以函数式编程的方式处理计算结果。相比于传统的Future，CompletableFuture提供了更加强大和灵活的功能。

CompletableFuture可以通过多个线程并发地执行任务，并且能够与其他CompletableFuture进行组合和串联，从而实现复杂的异步流程编排。它还提供了丰富的异常处理机制和流程控制方法，使得异步编程更加灵活和高效。

### 1.2 异步编程的优势和重要性

在传统的同步编程模型中，任务的执行顺序是按照代码的顺序依次执行的，如果某个任务需要等待其他任务的结果，那么它必须阻塞等待，这样会导致CPU资源的浪费。

异步编程通过将任务的执行交给其他线程来处理，而不是阻塞当前线程，从而提高了CPU的利用率，让计算机能够更好地处理并发任务。异步编程的主要优势包括：

- 提高系统的响应速度：可以并发执行多个任务，减少任务等待的时间，从而加快整体系统的响应速度。
- 提高CPU资源的利用率：可以将CPU时间用于处理其他任务，避免了线程阻塞导致的资源浪费。
- 构建高性能的系统：可以通过并发执行多个任务，实现对系统性能的最大化利用。
- 改善用户体验：可以保持UI线程的响应性，提高用户的交互体验。

异步编程在现代开发中越来越重要，特别是在处理网络请求、IO操作、数据库访问等潜在耗时的任务时，异步编程能够提升系统的性能和稳定性。CompletableFuture作为Java提供的异步编程工具，为开发人员提供了更好的异步编程支持。

# 2. 基本用法

CompletableFuture 是 Java 8 提供的一个用于异步编程的工具类，它提供了一些方法来简化异步操作的处理流程。在现代的应用程序开发中，异步编程已经变得越来越重要，因为它可以提高程序的性能和并发度，让程序可以更有效地利用系统资源。在本节中，将介绍 CompletableFuture 的基本用法，包括创建 CompletableFuture 对象，处理返回结果，以及处理异常等内容。

#### 2.1 创建CompletableFuture对象

首先，我们来看如何创建一个 CompletableFuture 对象。CompletableFuture 提供了静态方法 `supplyAsync` 来创建一个异步执行的 CompletableFuture 对象，示例如下：

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

public class CompletableFutureExample {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 异步执行的任务
            return "Hello, CompletableFuture!";
        });
    }
}

在这个示例中，`supplyAsync` 方法接受一个 `Supplier` 函数式接口，并在一个新的线程中执行该函数。返回的 `CompletableFuture` 对象会在异步任务执行完成后得到结果。

#### 2.2 使用thenApply处理返回结果

接下来，我们来看如何处理 CompletableFuture 返回的结果。我们可以使用 `thenApply` 方法来处理 CompletableFuture 的返回结果，示例如下：

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        // 异步执行的任务
        return "Hello, CompletableFuture!";
    });

    // 处理返回结果
    CompletableFuture<Integer> result = future.thenApply(s -> s.length());
    System.out.println(result.get());  // 输出结果：21
}

在这个示例中，我们首先创建了一个 CompletableFuture 对象，然后使用 `thenApply` 方法处理返回的结果，这样可以对异步任务的结果进行进一步的处理。在本例中，`thenApply` 方法将返回的字符串的长度作为新的 CompletableFuture 对象的返回结果。

（接下内容省略...）

# 3. 组合和串联CompletableFuture对象

CompletableFuture提供了丰富的方法来组合和串联多个CompletableFuture对象，从而实现复杂的异步操作流程。

#### 3.1 使用thenCompose实现串联

public static void thenComposeExample() {
    CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 2)
            .thenCompose(result -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> result * 2));
    System.out.println(future.join()); // Output: 4
}

**代码说明：** 上述示例中，首先创建一个CompletableFuture对象，然后使用`thenCompose`方法将第一个CompletableFuture的结果传递给第二个CompletableFuture，并返回一个新的CompletableFuture对象。最终输出4。

#### 3.2 使用thenCombine实现并联

public static void thenCombineExample() {
    CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 2);
    CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 3);
    CompletableFuture<Integer> combinedFuture = future1.thenCombine(future2, (result1, result2) -> result1 + result2);
    System.out.println(combinedFuture.join()); // Output: 5
}

**代码说明：** 上述示例中，使用`thenCombine`方法将两个CompletableFuture的结果进行组合，并通过lambda表达式计算它们的和，最终输出5。

#### 3.3 使用thenAcceptBoth实现两者结果处理

public static void thenAcceptBothExample() {
    CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 2);
    CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 3);
    future1.thenAcceptBoth(future2, (result1, result2) -> System.out.println(result1 + result2)); // Output: 5
}

**代码说明：** 上述示例中，使用`thenAcceptBoth`方法对两个CompletableFuture的结果进行处理，最终输出它们的和。

#### 3.4 使用anyOf和allOf处理多个CompletableFuture

public static void anyOfAndAllOfExample() {
    CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Result 1");
    CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Result 2");
    CompletableFuture<Object> anyResult = CompletableFuture.anyOf(future1, future2);
    anyResult.thenAccept(result -> System.out.println("Any Result: " + result));

    CompletableFuture.allOf(future1, future2)
            .thenRun(() -> System.out.println("Both futures completed"));
}

**代码说明：** 在上述示例中，`anyOf`方法用于处理多个CompletableFuture中任意一个完成的情况，而`allOf`方法用于处理所有CompletableFuture都已经完成的情况。

# 4. 异常处理

在异步编程中，异常处理尤为重要。CompletableFuture 提供了多种处理异常的方法，让我们能够更好地控制和处理可能发生的异常情况。

### 4.1 处理异常的基本方法

在 CompletableFuture 中，可以使用 `exceptionally`