Java中的并发编程模型比较：Future、CompletableFuture 与 CompletionStage

# 1. 简介

## 1.1 什么是并发编程模型

并发编程模型是指在程序中同时执行多个计算任务的编程模式。在多核处理器和分布式系统中，充分利用并发编程模型可以提高程序的运行效率和性能。

## 1.2 Java中的并发编程模型介绍

在Java中，并发编程模型主要包括传统的Future、CompletableFuture和CompletionStage等。这些模型提供了丰富的工具和API来处理异步任务和并发执行。

## 1.3 本文概要

本文将介绍Java中的并发编程模型，重点讨论Future、CompletableFuture和CompletionStage这三种并发编程模型的特点、使用方法及实际应用场景。同时，对比分析它们之间的优劣，帮助读者选择最适合自己项目的并发编程模型。

# 2. Future

### 2.1 Future的概念和用法

在并发编程中，Future是一种用于表示异步计算结果的接口。它提供了一种获取计算结果的机制，使得在进行并发编程时能够方便地获取线程执行的结果。在Java中，Future接口是从Java 5开始引入的，并被广泛应用于各种异步操作。

Future接口定义了多个方法，其中最为常用的是`get()`方法，用于获取异步计算的结果。该方法是一个阻塞操作，如果异步计算尚未完成，则调用`get()`方法的线程将会被阻塞，直到计算完成才会返回结果。

以下是使用Future的示例代码：

import java.util.concurrent.*;

public class FutureExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
        Future<Integer> future = executor.submit(() -> {
            Thread.sleep(2000);
            return 42;
        });

        System.out.println("异步计算开始");

        // 获取异步计算的结果
        int result = future.get();
        System.out.println("异步计算结果为：" + result);

        executor.shutdown();
    }
}

代码解析：
- 创建线程池`executor`，并使用`submit()`方法提交一个异步任务，该任务会在2秒后返回结果42。
- 输出"异步计算开始"，表示异步计算正在进行。
- 调用`future.get()`方法获取异步计算的结果，并将结果存储在`result`变量中。
- 输出"异步计算结果为：42"。

### 2.2 Future的局限性和问题

Future在并发编程中的使用具有一定的局限性和问题，主要体现在以下几个方面：

**1. 阻塞获取结果**

调用`get()`方法获取异步计算结果时，如果结果尚未准备好，调用线程会被阻塞，直到计算完成才会返回结果。这会导致调用线程在等待计算结果时无法处理其他任务，降低了并发编程的效率。

**2. 无法取消任务**

Future接口提供了`cancel()`方法用于取消任务的执行，但该方法并不保证一定能够取消任务。如果任务已经开始执行或已经完成，调用`cancel()`方法将无效。

**3. 无法处理一组任务的结果**

Future接口只能表示单个异步任务的结果，无法方便地处理一组任务的结果。在实际应用中，经常需要并发执行多个任务，并对所有任务的结果进行处理，这时候使用Future就显得比较麻烦。

**4. 繁琐的异常处理**

在使用Future的过程中，如果异步任务发生了异常，需要通过捕获`ExecutionException`来获取异常信息。这种异常处理方式比较繁琐，使得代码可读性较差。

以上是Future在并发编程中存在的一些局限性和问题。

### 2.3 示例代码和实际应用场景

下面通过一个实例代码，展示了Future的使用场景。

import java.util.concurrent.*;

public class FutureExample2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);

        Future<Integer> future1 = executor.submit(() -> {
            Thread.sleep(2000);
            return 42;
        });

        Future<String> future2 = executor.submit(() -> {
            Thread.sleep(1000);
            return "Hello World";
        });

        System.out.println("异步计算开始");

        int result1 = future1.get();
        System.out.println("异步计算结果1为：" + result1);

        String result2 = future2.get();
        System.out.println("异步计算结果2为：" + result2);

        executor.shutdown();
    }
}

代码解析：
- 创建线程池`executor`，并使用`submit()`方法提交两个异步任务，分别会在2秒和1秒后返回结果。
- 输出"异步计算开始"，表示异步计算正在进行。
- 调用`future1.get()`方法获取第一个异步任务的结果，并将结果存储在`result1`变量中。
- 调用`future2.get()`方法获取第二个异步任务的结果，并将结果存储在`result2`变量中。
- 输出"异步计算结果1为：42"和"异步计算结果2为：Hello World"。

这个示例展示了Future的基本用法，在并发编程中可以用来获取异步任务的结果。然而，Future无法解决上述所述的一些问题，下一章节将介绍更加强大和灵活的并发编程模型-CompletableFuture。

# 3. CompletableFuture

#### 3.1 CompletableFuture的基本概念

在Java中，并发编程的一个重要概念是CompletableFuture，它是Future的一种增强形式，提供了更加丰富的功能和灵活性。

CompletableFuture可以用于表示一个异步计算的结果，通过它，可以轻松地将同步操作转换为异步操作，并进行一系列的操作和处理。

#### 3.2 异步任务的创建和执行

通过CompletableFuture可以方便地创建和执行异步任务。例如，可以使用`CompletableFuture.supplyAsync()`方法来执行一个异步任务，并返回一个CompletableFuture对象，示例代码如下：

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

public class CompletableFutureExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个CompletableFuture并执行异步任务
        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return "Hello, CompletableFuture!";
        }, Executors.newFixedThreadPool(2));

        // 异步任务执行完成后的回调函数
        future.thenAccept(result -> {
            System.out.println("Async task finished: " + result);
        });

        // 等待异步任务执行完成
        future.join();
    }
}

上述代码中，通过`supplyAsync()`方法创建了一个CompletableFuture对象，并指定了一个异步计算的任务，然后通过`thenAccept()`方法注册了一个回调函数，最后通过`join()`方法等待异步任务执行完成。

#### 3.3 CompletableFuture的回调和组合

CompletableFuture提供了丰富的回调函数和组合方法，可以用于串行或并行地组合多个CompletableFuture对象，以及处理它们的执行结果。例如，可以使用`thenApply()`、`thenCombine()`、`thenCompose()`等方法来对CompletableFuture进行各种操作和组合。

#### 3.4 实例分析和性能比较

实际应用中，CompletableFuture可以用于多种场景，如并行数据处理、微服务调用、异步IO等，其灵活性和高效性使得它成为Java并发编程中的重要利器。同时，与传统的Future相比，CompletableFuture在性能和使用上都有很大的优势。

以上是CompletableFuture章节的内容，涵盖了CompletableFuture的基本概念、异步任务的创建和执行、回调和组合以及实例分析和性能比较。

# 4. CompletionStage

在Java中，并发编程模型的发展不仅局限于Future和CompletableFuture，还包括CompletionStage。本章将介绍CompletionStage的特点、用法和实战案例。

#### 4.1 CompletionStage的特点及优势

CompletionStage是Java 8引入的接口，它表示一个异步计算的阶段，并且在这个阶段完成（或者发生异常）时执行一个回调。CompletionStage具有以下特点和优势：

- **非阻塞式操作**：CompletionStage采用异步非阻塞的方式组合多个阶段，提高了并发处理的性能。
- **函数式编程风格**：CompletionStage的设计依赖于函数式接口，支持Lambda表达式和流式处理，使得代码更简洁清晰。
- **异常处理**：CompletionStage提供了丰富的异常处理机制，方便开发者对多个阶段的异常情况进行处理。

#### 4.2 CompletionStage的用法和方法

CompletionStage接口提供了丰富的方法来支持异步计算的组合和处理，例如thenApply、thenAccept、thenCompose等方法。下面是一个简单的示例代码，演示了如何使用CompletionStage封装异步任务并进行链式处理：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.CompletionStage;

public class CompletionStageExample {
    public static void main(String[] args) {
        CompletionStage<String> stage = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
                .thenApplyAsync(s -> s + " World")
                .thenApplyAsync(String::toUpperCase);

        stage.whenComplete((result, ex) -> {
            if (ex == null) {
                System.out.println("Result: " + result);
            } else {
                System.out.println("Exception: " + ex.getMessage());
            }
        });
    }
}

在这个示例中，首先使用supplyAsync方法创建一个CompletableFuture，然后使用thenApplyAsync方法对结果进行转换，最后调用whenComplete方法处理最终的结果或异常情况。

#### 4.3 实战案例：使用CompletionStage实现复杂并发流程

假设我们需要实现一个复杂的并发流程，包括数据库查询、远程调用和数据处理等操作。使用CompletionStage可以很容易地实现这样的异步并发流程，提高系统的吞吐量和性能。

下面是一个简化的示例代码，演示了如何使用CompletionStage实现复杂的并发流程：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.CompletionStage;

public class ComplexConcurrentProcess {
    public static void main(String[] args) {
        CompletionStage<Integer> result = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 模拟数据库查询操作
            return 100;
        }).thenComposeAsync(data -> {
            // 模拟远程调用操作
            return CompletableFuture.supplyAsync(() -> data * 2);
        }).thenApplyAsync(resultData -> {
            // 模拟数据处理操作
            return resultData + 50;
        });

        result.thenAcceptAsync(finalResult -> {
            System.out.println("Final Result: " + finalResult);
        });
    }
}

在这个示例中，我们首先执行数据库查询操作，然后根据查询结果进行远程调用操作，最后对远程调用的结果进行数据处理。这整个过程都是异步非阻塞的，可以充分利用系统资源，提高系统的并发处理能力。

以上示例展示了CompletionStage的基本用法和实战案例，通过了解CompletionStage的特点和方法，可以更好地应用到实际的并发编程场景中。

# 5. CompletableFuture、CompletionStage对比

### 5.1 对比Future、CompletableFuture和CompletionStage的异同

在Java中，Future、CompletableFuture和CompletionStage都是用于并发编程的重要组件，但它们在实现机制和使用方式上存在一些异同。

- Future是在Java 5中引入的并发编程模型，它表示一个异步计算的结果。通过Future对象，可以检查异步任务是否完成，以及获取其计算结果。然而，Future的局限性在于无法主动获取异步任务的结果，只能通过阻塞或轮询的方式来等待结果，这在实际应用中会造成一定的不便。
- CompletableFuture是在Java 8中新增加的类，它扩展了Future的功能并提供了更加便捷的使用方式。相比于Future，CompletableFuture可以更灵活地组合多个异步任务，并且支持任务的回调机制。通过CompletableFuture，可以更加直观和简洁地编写并发代码，提高代码的可读性和可维护性。
- CompletionStage是在Java 8中引入的接口，它是CompletableFuture的父接口，定义了一系列用于处理异步任务的方法。CompletionStage提供了更加丰富的操作，如处理结果的转换、处理异常、多任务的组合等。通过CompletionStage，可以更加细粒度地控制异步任务的执行流程，实现复杂的并发处理逻辑。

### 5.2 选择最适合的并发编程模型的考虑因素

在选择使用Future、CompletableFuture还是CompletionStage的时候，可以根据以下考虑因素进行选择：

- 如果只是简单地需要一个异步任务结果的话，可以使用Future。Future是比较原始的并发编程模型，使用较为简单且适用于简单的场景。
- 如果需要在异步任务完成后执行一些操作，比如任务处理完后进行回调、处理异常等，可以选择CompletableFuture。CompletableFuture提供了丰富的处理方法，并且链式调用更加直观，适用于一些较为复杂的并发处理逻辑。
- 如果需要更加细粒度地控制异步任务的执行流程，比如任务的组合、并行执行、处理多个任务的结果等，可以选择CompletionStage。CompletionStage提供了各种方法用于处理异步任务的执行结果和执行流程，适用于复杂的并发处理场景。

### 5.3 示例代码和性能比较分析

下面是一段使用Future、CompletableFuture和CompletionStage的示例代码，通过计算斐波那契数列来比较它们的性能差异：

import java.util.concurrent.*;

public class ConcurrencyDemo {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        int n = 5;

        // 使用Future计算斐波那契数列
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        Future<Integer> futureResult = executorService.submit(new FibonacciTask(n));
        int result = futureResult.get();
        System.out.println("Future result: " + result);
        executorService.shutdown();

        // 使用CompletableFuture计算斐波那契数列
        CompletableFuture<Integer> completableFutureResult = CompletableFuture.supplyAsync(() -> FibonacciUtils.calculate(n));
        int completableFutureResultValue = completableFutureResult.get();
        System.out.println("CompletableFuture result: " + completableFutureResultValue);

        // 使用CompletionStage计算斐波那契数列
        CompletableFuture<Integer> completionStageResult = CompletableFuture
                .supplyAsync(() -> FibonacciUtils.calculate(n))
                .thenApply(resultValue -> resultValue * 2);
        int completionStageResultValue = completionStageResult.get();
        System.out.println("CompletionStage result: " + completionStageResultValue);
    }
}

class FibonacciTask implements Callable<Integer> {
    private final int n;

    public FibonacciTask(int n) {
        this.n = n;
    }

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        return FibonacciUtils.calculate(n);
    }
}

class FibonacciUtils {
    public static int calculate(int n) {
        if (n <= 1) {
            return n;
        } else {
            return calculate(n - 1) + calculate(n - 2);
        }
    }
}

在上述代码中，首先使用Future来计算斐波那契数列，然后使用CompletableFuture计算，并且使用CompletionStage在结果上进行进一步的处理。通过比较运行结果，可以发现CompletableFuture和CompletionStage相较于传统的Future模型来说，更加灵活和方便。

总的来说，选择最适合的并发编程模型需要根据实际需求来决定，各个模型都有自己的优点和适用场景。对于简单的并发处理，Future已经足够使用，而对于较为复杂的并发处理，可以选择使用CompletableFuture和CompletionStage来提高代码的可读性和可维护性。

以上就是Future、CompletableFuture和CompletionStage的对比以及选择考虑因素的分析。

  Run the code.

# 6. 总结

### 6.1 对Java中的并发编程模型进行总结

Java中的并发编程模型提供了多种选择来处理并发任务的实现。本文介绍了常用的三种模型：Future、CompletableFuture和CompletionStage。

Future是最基础且简单的并发模型，用于表示一个异步计算的结果。它可以通过get()方法阻塞获取结果，或者通过isDone()方法判断任务是否完成。然而，Future的局限性在于无法主动通知任务的完成，导致在等待结果时可能会陷入阻塞。

为了解决Future的局限性，Java 8引入了CompletableFuture。它是Future的增强版，提供了更多的方法来处理异步任务并定义各种操作。通过回调和组合操作，可以更灵活地处理任务的完成和结果的处理。

而CompletionStage是CompletableFuture的接口，相比于CompletableFuture，它更加灵活和可扩展。CompletionStage可以看作是一种处理异步任务结果的方式，它可以通过一系列的操作组成复杂的并发流程。通过链式调用和组合操作，可以实现复杂任务的并行处理和结果的处理。

### 6.2 各个模型的应用场景和适用性

在选择并发编程模型时，应根据具体需求和场景来选择合适的模型。下面对各个模型的适用性进行总结：

- Future适用于简单的异步计算，可以通过get()方法来获取结果，适合场景：单个任务的处理和结果获取，不需要对任务进行进一步处理和组合。
- CompletableFuture适用于需要对异步任务进行更灵活处理的场景。可以通过回调和组合操作对任务的完成事件进行监听，并对结果进行处理，适合场景：对单个或多个任务的结果进行进一步处理和组合。
- CompletionStage适用于复杂的异步任务处理场景。通过链式调用和组合操作，可以处理多个任务的结果，并对结果进行处理和组合，适合场景：需要处理多个任务的结果，并对结果进行进一步处理和组合。

### 6.3 展望未来的并发编程模型发展方向

随着计算机技术的不断发展，对于并发编程模型的需求也越来越复杂。未来的并发编程模型可能会继续发展和演进，以满足更高级别的并发需求。

一方面，可以期待更多的功能和方法被添加到已有的并发模型中，以提供更多的灵活性和可扩展性。另一方面，可能会出现全新的并发模型，以应对更复杂的并发场景和问题。

总的来说，随着技术的进步，我们可以期待并发编程模型在未来的发展中变得更加强大和易用，为开发者提供更好的并发编程体验。

这里给出一个用Java语言实现的示例代码，展示了使用CompletableFuture来处理并发任务的例子：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class CompletableFutureExample {
    public static void main(String[] args) {
        CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 模拟一个耗时任务
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return 10;
        });

        CompletableFuture<Integer> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 模拟另一个耗时任务
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return 20;
        });

        CompletableFuture<Integer> combinedFuture = future1.thenCombine(future2, (result1, result2) -> result1 + result2);

        combinedFuture.thenAccept(result -> System.out.println("结果：" + result));

        // 阻塞等待结果
        try {
            combinedFuture.get();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

代码中使用CompletableFuture分别创建了future1和future2两个异步任务，然后使用thenCombine方法对两个任务的结果进行累加处理。最后，使用thenAccept方法对最终的结果进行输出。在阻塞等待结果时，通过get方法来获取结果。这个例子展示了CompletableFuture的基本用法和链式调用的特点。