异步编程 - 06 基于JDK中的Future实现异步编程(中)_CompletableFuture源码解析

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CompletableFuture 类图结构

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CompletionStage接口

CompletableFuture实现了CompletionStage接口。

1）一个CompletionStage代表着一个异步计算节点，当另外一个CompletionStage计算节点完成后，当前CompletionStage会执行或者计算一个值；一个节点在计算终止时完成，可能反过来触发其他依赖其结果的节点开始计算。
2）一个节点（CompletionStage）的计算执行可以被表述为一个函数、消费者、可执行的Runable（例如使用apply、accept、run方法），

具体取决于这个节点是否需要参数或者产生结果。例如：

stage.thenApply(x -> square(x))//计算平方和
     .thenAccept(x -> System.out.print(x))//输出计算结果
     .thenRun(() -> System.out.println());//然后执行异步任务

3）CompletionStage节点可以使用3种模式来执行：默认执行、默认异步执行（使用async后缀的方法）和用户自定义的线程执行器执行（通过传递一个Executor方式）。
4）一个节点的执行可以通过一到两个节点的执行完成来触发。一个节点依赖的其他节点通常使用then前缀的方法来进行组织。

属性

result

volatile Object result;       // Either the result or boxed AltResult

result字段用来存放任务执行的结果，如果不为null，则标识任务已经执行完成。而计算任务本身也可能需要返回null值，所以使用AltResult（如下代码）来包装计算任务返回null的情况(ex等于null的时候)，AltResult也被用来存放当任务执行出现异常时候的异常信息（ex不为null的时候）：

static final class AltResult { // See above
    final Throwable ex;        // null only for NIL
    AltResult(Throwable x) { this.ex = x; }
}

stack

 volatile Completion stack;    // Top of Treiber stack of dependent actions

stack字段是当前任务执行完毕后要触发的一系列行为的入口，由于一个任务执行后可以触发多个行为，所以所有行为被组织成一个链表结构，并且使用Treiber stack实现了无锁基于CAS的链式栈，其中stack存放栈顶行为节点，stack是Completion类型的，定义如下所示。

 abstract static class Completion extends ForkJoinTask<Void>
    implements Runnable, AsynchronousCompletionTask {
    volatile Completion next;      // Treiber stack下一个节点
  ...
}

asyncPool

/**
 * Default executor -- ForkJoinPool.commonPool() unless it cannot
 * support parallelism.
 */
private static final Executor asyncPool = useCommonPool ?
    ForkJoinPool.commonPool() : new ThreadPerTaskExecutor();

asyncPool是用来执行异步任务的线程池，如果支持并发则默认为Fork-JoinPool.commonPool()，否则是ThreadPerTaskExecutor。

方法

CompletableFuture<Void>runAsync(Runnable runnable)

该方法返回一个新的CompletableFuture对象，其结果值会在给定的runnable行为使用ForkJoinPool.commonPool()异步执行完毕后被设置为null，代码如下所示。

public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable) {
    return asyncRunStage(asyncPool, runnable);
}

如上代码中，默认情况下asyncPool为ForkJoinPool.commonPool()，其中asyncRunStage代码如下所示。

static CompletableFuture<Void> asyncRunStage(Executor e, Runnable f) {
    //1.任务或者行为为null，则抛出NPE异常
    if (f == null) throw new NullPointerException();
    //2.创建一个future对象
    CompletableFuture<Void> d = new CompletableFuture<Void>();
    //3.包装f和d为异步任务后，投递到线程池执行
    e.execute(new AsyncRun(d, f));
    //4.返回创建的future对象
    return d;
}

代码1判断行为是否为null，如果是则抛出异常。
代码2创建一个CompletableFuture对象。
代码3首先创建一个AsyncRun任务，里面保存了创建的future对象和要执行的行为，然后投递到ForkJoinPool.commonPool()线程池执行。
代码4直接返回创建的CompletableFuture对象。

可知runAsync方法会马上返回一个CompletableFuture对象，并且当前线程不会被阻塞；代码3投递AsyncRun任务到线程池后，线程池线程会执行其run方法。

下面我们看看在AsyncRun中是如何执行我们设置的行为，并把结果设置到创建的future对象中的。

static final class AsyncRun extends ForkJoinTask<Void>
       implements Runnable, AsynchronousCompletionTask {
        CompletableFuture<Void> dep; Runnable fn;
        //保存创建的future和要执行的行为
        AsyncRun(CompletableFuture<Void> dep, Runnable fn) {
            this.dep = dep; this.fn = fn;
        }
       ...
        public void run() {
            CompletableFuture<Void> d; Runnable f;
            if ((d = dep) != null && (f = fn) != null) {
                dep = null; fn = null;
                //5.如果future的result等于null，说明任务还没完成
                if (d.result == null) {
                    try {
                        //5.1执行传递的行为
                        f.run();
                        //5.2设置future的结果为null
                        d.completeNull();
                    } catch (Throwable ex) {
                        d.completeThrowable(ex);
                    }
                }
                //6弹出当前future中依赖当前结果的行为并执行
                d.postComplete();
            }
        }
}

这里代码5如果发现future的result不为null，说明当前future还没开始执行，则代码5.1执行我们传递的runnable方法，然后执行代码5.2将future对象的结果设置为null，这时候其他因调用future的get()方法而被阻塞的线程就会从get()处返回null。
当代码6的future任务结束后，看看其stack栈里面是否有依赖其结果的行为，如果有则从栈中弹出来，并执行。

其实上面代码中的runAsync实现可以用我们自己编写的简单代码来模拟。

public static CompletableFuture runAsync(Runnable runnable) {
    CompletableFuture<String> future = new CompletableFuture<String>();

    // 2.开启线程计算任务结果，并设置
    POOL_EXECUTOR.execute(() -> {

        // 2.1模拟任务计算
        try {
            runnable.run();
            future.complete(null);

        } catch (Exception e) {
            future.completeExceptionally(e);
        }
    });

    return future;
}

CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U>supplier)

该方法返回一个新的CompletableFuture对象，其结果值为入参supplier行为执行的结果，代码如下所示。

public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier) {
    return asyncSupplyStage(asyncPool, supplier);
}

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;
}

如上代码与runAsync类似，不同点在于，其提交到线程池的是AsyncSupply类型的任务，下面我们来看其代码。

static final class AsyncSupply<T> extends ForkJoinTask<Void>
        implements Runnable, AsynchronousCompletionTask {
    CompletableFuture<T> dep; Supplier<T> fn;
    AsyncSupply(CompletableFuture<T> dep, Supplier<T> fn) {
        this.dep = dep; this.fn = fn;
    }

   ...

    public void run() {
        CompletableFuture<T> d; Supplier<T> f;
        if ((d = dep) != null && (f = fn) != null) {
            dep = null; fn = null;
            //1.如果future的result等于null，说明任务还没完成
            if (d.result == null) {
                try {
                    //1.1 f.get()执行行为f的方法，并获取结果
                    //1.2 把f.get()执行结果设置到future对象
                    d.completeValue(f.get());
                } catch (Throwable ex) {
                    d.completeThrowable(ex);
                }
            }
            //2.弹出当前future中依赖当前结果的行为并执行

            d.postComplete();
        }
    }
}

如上代码与runAsync的不同点在于，这里的行为方法是Supplier，其get()方法有返回值，且返回值会被设置到future中，然后调用future的get()方法的线程就会获取到该值。

CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U>supplier，Executor executor)

该方法返回一个新的CompletableFuture对象，其结果值为入参supplier行为执行的结果，需要注意的是，supplier行为的执行不再是ForkJoinPool.commonPool()，而是业务自己传递的executor，其代码如下所示。

    public static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier,
                                                       Executor executor) {
        return asyncSupplyStage(screenExecutor(executor), supplier);
    }
static Executor screenExecutor(Executor e) {
    //如果使用commonpool并且传递的e本身就是commonpool
    if (!useCommonPool && e == ForkJoinPool.commonPool())
        return asyncPool;
    //如果传递的线程池为null，则抛出NPE异常
    if (e == null) throw new NullPointerException();

    //返回业务传递的线程池e
    return e;
}