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