CompletableFuture原理与使用

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业务背景

随着交易量的持续上升，各系统服务面临的压力也越来越大。作为交易链路的重要环节，履约中台提供了运费计算、履约方式寻仓等一系列重要功能，业务对系统吞吐量的要求也越来越高。而特别是履约寻仓可以看作一个流量入口型接口，核心逻辑会依赖履约、商家、商品、设置、库存等多个业务，对外向交易提供功能接口，对内调度各个下游服务获取数据进行聚合，可以算是比较典型的I/O密集型（I/O Bound）特点。在商家逐步全量迁移到新系统之后，交易量日益增长的情况下，使用同步逐个查询各个下游服务的方式已经没办法满足交需求，因此开始考虑将同步加载改为并行加载的可行性。

并行方式

并行从下游获取数据，从IO模型上来讲分为同步模型和异步模型。

同步模型

从各个服务获取数据最常见的是同步调用，如下图所示：

在同步调用的场景下，接口耗时长、性能差，接口响应时长T > T1+T2+T3+……+Tn，这时为了缩短接口的响应时间，一般会使用线程池多线程并行获取数据，但是也存在一定问题，会导致资源利用率比较低：

  • CPU资源大量浪费在阻塞等待上，导致CPU资源利用率低。在Java 8之前，一般会通过回调的方式来减少阻塞，但是大量使用回调，又引发臭名昭著的回调地狱问题，导致代码可读性和可维护性大大降低。
  • 为了增加并发度，会引入更多额外的线程池，随着CPU调度线程数的增加，会导致更严重的资源争用，宝贵的CPU资源被损耗在上下文切换上，而且线程本身也会占用系统资源，且不能无限增加。

同步模型下，会导致硬件资源无法充分利用，系统吞吐量容易达到瓶颈。

NIO异步模型

我们主要通过以下两种方式来减少线程池的调度开销和阻塞时间：

  • 通过RPC NIO异步调用的方式可以降低线程数，从而降低调度（上下文切换）开销，如Dubbo的异步调用可以参考《dubbo调用端异步》一文。
  • 通过引入CompletableFuture（下文简称CF）对业务流程进行编排，降低依赖之间的阻塞。本文主要讲述CompletableFuture的使用和原理。

为什么会选择CompletableFuture？

目前业界广泛流行的解决方案，主要包括Future、CompletableFuture注2、RxJava、Reactor。它们的特性对比如下：

Future CompletableFuture RxJava Reactor
Composable（可组合） ❌ ✔️ ✔️ ✔️
Asynchronous（异步） ✔️ ✔️ ✔️ ✔️
Operator fusion（操作融合） ❌ ❌ ✔️ ✔️
Lazy（延迟执行） ❌ ❌ ✔️ ✔️
Backpressure（回压） ❌ ❌ ✔️ ✔️
  • 可组合：可以将多个依赖操作通过不同的方式进行编排，例如CompletableFuture提供thenCompose、thenCombine等各种then开头的方法，这些方法就是对“可组合”特性的支持。
  • 操作融合：将数据流中使用的多个操作符以某种方式结合起来，进而降低开销（时间、内存）。
  • 延迟执行：操作不会立即执行，当收到明确指示时操作才会触发。例如Reactor只有当有订阅者订阅时，才会触发操作。
  • 回压：某些异步阶段的处理速度跟不上，直接失败会导致大量数据的丢失，对业务来说是不能接受的，这时需要反馈上游生产者降低调用量。

RxJava与Reactor显然更加强大，它们提供了更多的函数调用方式，支持更多特性，但同时也带来了更大的学习成本。而我们本次整合最需要的特性就是“异步”、“可组合”，综合考虑后，我们选择了学习成本相对较低的CompletableFuture。

CompletableFuture使用与原理

CompletableFuture是由Java 8引入的，在Java8之前我们一般通过Future实现异步。

  • Future用于表示异步计算的结果，只能通过阻塞或者轮询的方式获取结果，而且不支持设置回调方法，Java 8之前若要设置回调一般会使用guava的ListenableFuture，回调的引入又会导致臭名昭著的回调地狱（下面的例子会通过ListenableFuture的使用来具体进行展示）。
  • CompletableFuture对Future进行了扩展，可以通过设置回调的方式处理计算结果，同时也支持组合操作，支持进一步的编排，同时一定程度解决了回调地狱的问题。

下面将举例来说明，我们通过ListenableFuture、CompletableFuture来实现异步的差异。假设有三个操作step1、step2、step3存在依赖关系，其中step3的执行依赖step1和step2的结果。

Future(ListenableFuture)的实现（回调地狱）如下：

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ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
ListeningExecutorService guavaExecutor = MoreExecutors.listeningDecorator(executor);
ListenableFuture<String> future1 = guavaExecutor.submit(() -> {
    //step 1
    System.out.println("执行step 1");
    return "step1 result";
});
ListenableFuture<String> future2 = guavaExecutor.submit(() -> {
    //step 2
    System.out.println("执行step 2");
    return "step2 result";
});
ListenableFuture<List<String>> future1And2 = Futures.allAsList(future1, future2);
Futures.addCallback(future1And2, new FutureCallback<List<String>>() {
    @Override
    public void onSuccess(List<String> result) {
        System.out.println(result);
        ListenableFuture<String> future3 = guavaExecutor.submit(() -> {
            System.out.println("执行step 3");
            return "step3 result";
        });
        Futures.addCallback(future3, new FutureCallback<String>() {
            @Override
            public void onSuccess(String result) {
                System.out.println(result);
            }        
            @Override
            public void onFailure(Throwable t) {
            }
        }, guavaExecutor);
    }

    @Override
    public void onFailure(Throwable t) {
    }}, guavaExecutor);

CompletableFuture的实现如下：

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ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("执行step 1");
    return "step1 result";
}, executor);
CompletableFuture<String> cf2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("执行step 2");
    return "step2 result";
});
cf1.thenCombine(cf2, (result1, result2) -> {
    System.out.println(result1 + " , " + result2);
    System.out.println("执行step 3");
    return "step3 result";
}).thenAccept(result3 -> System.out.println(result3));

显然，CompletableFuture的实现更为简洁，可读性更好。

CompletableFuture的定义

CompletableFuture实现了两个接口（如上图所示）：Future、CompletionStage。Future表示异步计算的结果，CompletionStage用于表示异步执行过程中的一个步骤（Stage），这个步骤可能是由另外一个CompletionStage触发的，随着当前步骤的完成，也可能会触发其他一系列CompletionStage的执行。从而我们可以根据实际业务对这些步骤进行多样化的编排组合，CompletionStage接口正是定义了这样的能力，我们可以通过其提供的thenAppy、thenCompose等函数式编程方法来组合编排这些步骤。

CompletableFuture的使用

下面我们通过一个例子来讲解CompletableFuture如何使用，使用CompletableFuture也是构建依赖树的过程。一个CompletableFuture的完成会触发另外一系列依赖它的CompletableFuture的执行：

如上图所示，这里描绘的是一个业务接口的流程，其中包括CF1\CF2\CF3\CF4\CF5共5个步骤，并描绘了这些步骤之间的依赖关系，每个步骤可以是一次RPC调用、一次数据库操作或者是一次本地方法调用等，在使用CompletableFuture进行异步化编程时，图中的每个步骤都会产生一个CompletableFuture对象，最终结果也会用一个CompletableFuture来进行表示。

根据CompletableFuture依赖数量，可以分为以下几类：零依赖、一元依赖、二元依赖和多元依赖。

零依赖：CompletableFuture的创建

我们先看下如何不依赖其他CompletableFuture来创建新的CompletableFuture：

图6 零依赖

如上图红色链路所示，接口接收到请求后，首先发起两个异步调用CF1、CF2，主要有三种方式：

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ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
//1、使用runAsync或supplyAsync发起异步调用
CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
  return "result1";
}, executor);
//2、CompletableFuture.completedFuture()直接创建一个已完成状态的CompletableFuture
CompletableFuture<String> cf2 = CompletableFuture.completedFuture("result2");
//3、先初始化一个未完成的CompletableFuture，然后通过complete()、completeExceptionally()，完成该CompletableFuture
CompletableFuture<String> cf = new CompletableFuture<>();
cf.complete("success");

第三种方式的一个典型使用场景，就是将回调方法转为CompletableFuture，然后再依赖CompletableFure的能力进行调用编排，示例如下：

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@FunctionalInterface
public interface ThriftAsyncCall {
    void invoke() throws TException;
}
 /**
  * 该方法为内部rpc注册监听的封装，可以作为其他实现的参照
  * OctoThriftCallback 为thrift回调方法
  * ThriftAsyncCall 为自定义函数，用来表示一次thrift调用（定义如上）
  */
  public static <T> CompletableFuture<T> toCompletableFuture(final OctoThriftCallback<?,T> callback , ThriftAsyncCall thriftCall) {
   //新建一个未完成的CompletableFuture
   CompletableFuture<T> resultFuture = new CompletableFuture<>();
   //监听回调的完成，并且与CompletableFuture同步状态
   callback.addObserver(new OctoObserver<T>() {
       @Override
       public void onSuccess(T t) {
           resultFuture.complete(t);
       }
       @Override
       public void onFailure(Throwable throwable) {
           resultFuture.completeExceptionally(throwable);
       }
   });
   if (thriftCall != null) {
       try {
           thriftCall.invoke();
       } catch (TException e) {
           resultFuture.completeExceptionally(e);
       }
   }
   return resultFuture;
  }

一元依赖：依赖一个CF

图7 一元依赖

如上图红色链路所示，CF3，CF5分别依赖于CF1和CF2，这种对于单个CompletableFuture的依赖可以通过thenApply、thenAccept、thenCompose等方法来实现，代码如下所示：

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CompletableFuture<String> cf3 = cf1.thenApply(result1 -> {
  //result1为CF1的结果
  //......
  return "result3";
});
CompletableFuture<String> cf5 = cf2.thenApply(result2 -> {
  //result2为CF2的结果
  //......
  return "result5";
});

二元依赖：依赖两个CF

图8 二元依赖

如上图红色链路所示，CF4同时依赖于两个CF1和CF2，这种二元依赖可以通过thenCombine等回调来实现，如下代码所示：

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CompletableFuture<String> cf4 = cf1.thenCombine(cf2, (result1, result2) -> {
  //result1和result2分别为cf1和cf2的结果
  return "result4";
});

多元依赖：依赖多个CF

图9 多元依赖

如上图红色链路所示，整个流程的结束依赖于三个步骤CF3、CF4、CF5，这种多元依赖可以通过allOf或anyOf方法来实现，区别是当需要多个依赖全部完成时使用allOf，当多个依赖中的任意一个完成即可时使用anyOf，如下代码所示：

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CompletableFuture<Void> cf6 = CompletableFuture.allOf(cf3, cf4, cf5);
CompletableFuture<String> result = cf6.thenApply(v -> {
  //这里的join并不会阻塞，因为传给thenApply的函数是在CF3、CF4、CF5全部完成时，才会执行 。
  result3 = cf3.join();
  result4 = cf4.join();
  result5 = cf5.join();
  //根据result3、result4、result5组装最终result;
  return "result";
});

CompletableFuture原理

CompletableFuture中包含两个字段：result和stack。result用于存储当前CF的结果，stack（Completion）表示当前CF完成后需要触发的依赖动作（Dependency Actions），去触发依赖它的CF的计算，依赖动作可以有多个（表示有多个依赖它的CF），以栈（Treiber stack）的形式存储，stack表示栈顶元素。

这种方式类似“观察者模式”，依赖动作（Dependency Action）都封装在一个单独Completion子类中。下面是Completion类关系结构图。CompletableFuture中的每个方法都对应了图中的一个Completion的子类，Completion本身是观察者的基类。

  • UniCompletion继承了Completion，是一元依赖的基类，例如thenApply的实现类UniApply就继承自UniCompletion。
  • BiCompletion继承了UniCompletion，是二元依赖的基类，同时也是多元依赖的基类。例如thenCombine的实现类BiRelay就继承自BiCompletion。

图11 CF类图

CompletableFuture的设计思想

按照类似“观察者模式”的设计思想，原理分析可以从“观察者”和“被观察者”两个方面着手。由于回调种类多，但结构差异不大，所以这里单以一元依赖中的thenApply为例，不再枚举全部回调类型。如下图所示：

​ 图12 thenApply简图

被观察者

  1. 每个CompletableFuture都可以被看作一个被观察者，其内部有一个Completion类型的链表成员变量stack，用来存储注册到其中的所有观察者。当被观察者执行完成后会弹栈stack属性，依次通知注册到其中的观察者。上面例子中步骤fn2就是作为观察者被封装在UniApply中。
  2. 被观察者CF中的result属性，用来存储返回结果数据。这里可能是一次RPC调用的返回值，也可能是任意对象，在上面的例子中对应步骤fn1的执行结果。

观察者

CompletableFuture支持很多回调方法，例如thenAccept、thenApply、exceptionally等，这些方法接收一个函数类型的参数f，生成一个Completion类型的对象（即观察者），并将入参函数f赋值给Completion的成员变量fn，然后检查当前CF是否已处于完成状态（即result != null），如果已完成直接触发fn，否则将观察者Completion加入到CF的观察者链stack中，再次尝试触发，如果被观察者未执行完则其执行完毕之后通知触发。

  1. 观察者中的dep属性：指向其对应的CompletableFuture，在上面的例子中dep指向CF2。
  2. 观察者中的src属性：指向其依赖的CompletableFuture，在上面的例子中src指向CF1。
  3. 观察者Completion中的fn属性：用来存储具体的等待被回调的函数。这里需要注意的是不同的回调方法（thenAccept、thenApply、exceptionally等）接收的函数类型也不同，即fn的类型有很多种，在上面的例子中fn指向fn2。

实践总结

线程阻塞问题

代码执行在哪个线程上？

要合理治理线程资源，最基本的前提条件就是要在写代码时，清楚地知道每一行代码都将执行在哪个线程上。下面我们看一下CompletableFuture的执行线程情况。

CompletableFuture实现了CompletionStage接口，通过丰富的回调方法，支持各种组合操作，每种组合场景都有同步和异步两种方法。

同步方法（即不带Async后缀的方法）有两种情况。

  • 如果注册时被依赖的操作已经执行完成，则直接由当前线程执行。
  • 如果注册时被依赖的操作还未执行完，则由回调线程执行。

异步方法（即带Async后缀的方法）：可以选择是否传递线程池参数Executor运行在指定线程池中；当不传递Executor时，会使用ForkJoinPool中的共用线程池CommonPool（CommonPool的大小是CPU核数-1，如果是IO密集的应用，线程数可能成为瓶颈）。

例如：

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ExecutorService threadPool1 = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100));
CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("supplyAsync 执行线程：" + Thread.currentThread().getName());
    //业务操作
    return "";
}, threadPool1);
//此时，如果future1中的业务操作已经执行完毕并返回，则该thenApply直接由当前main线程执行；否则，将会由执行以上业务操作的threadPool1中的线程执行。
future1.thenApply(value -> {
    System.out.println("thenApply 执行线程：" + Thread.currentThread().getName());
    return value + "1";
});
//使用ForkJoinPool中的共用线程池CommonPool
future1.thenApplyAsync(value -> {
//do something
  return value + "1";
});
//使用指定线程池
future1.thenApplyAsync(value -> {
//do something
  return value + "1";
}, threadPool1);

线程池须知

异步回调要传线程池

前面提到，异步回调方法可以选择是否传递线程池参数Executor，这里我们建议强制传线程池，且根据实际情况做线程池隔离。

当不传递线程池时，会使用ForkJoinPool中的公共线程池CommonPool，这里所有调用将共用该线程池，核心线程数=处理器数量-1（单核核心线程数为1），所有异步回调都会共用该CommonPool，核心与非核心业务都竞争同一个池中的线程，很容易成为系统瓶颈。手动传递线程池参数可以更方便的调节参数，并且可以给不同的业务分配不同的线程池，以求资源隔离，减少不同业务之间的相互干扰。

线程池循环引用会导致死锁

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public Object doGet() {
  ExecutorService threadPool1 = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100));
  CompletableFuture cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
  //do sth
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("child");
        return "child";
      }, threadPool1).join();//子任务
    }, threadPool1);
  return cf1.join();
}

如上代码块所示，doGet方法第三行通过supplyAsync向threadPool1请求线程，并且内部子任务又向threadPool1请求线程。threadPool1大小为10，当同一时刻有10个请求到达，则threadPool1被打满，子任务请求线程时进入阻塞队列排队，但是父任务的完成又依赖于子任务，这时由于子任务得不到线程，父任务无法完成。主线程执行cf1.join()进入阻塞状态，并且永远无法恢复。

为了修复该问题，需要将父任务与子任务做线程池隔离，两个任务请求不同的线程池，避免循环依赖导致的阻塞。

异步RPC调用注意不要阻塞IO线程池

服务异步化后很多步骤都会依赖于异步RPC调用的结果，这时需要特别注意一点，如果是使用基于NIO（比如Netty）的异步RPC，则返回结果是由IO线程负责设置的，即回调方法由IO线程触发，CompletableFuture同步回调（如thenApply、thenAccept等无Async后缀的方法）如果依赖的异步RPC调用的返回结果，那么这些同步回调将运行在IO线程上，而整个服务只有一个IO线程池，这时需要保证同步回调中不能有阻塞等耗时过长的逻辑，否则在这些逻辑执行完成前，IO线程将一直被占用，影响整个服务的响应。

其他

异常处理

由于异步执行的任务在其他线程上执行，而异常信息存储在线程栈中，因此当前线程除非阻塞等待返回结果，否则无法通过try\catch捕获异常。CompletableFuture提供了异常捕获回调exceptionally，相当于同步调用中的try\catch。使用方法如下所示：

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@Autowired
private WmOrderAdditionInfoThriftService wmOrderAdditionInfoThriftService;//内部接口
public CompletableFuture<Integer> getCancelTypeAsync(long orderId) {
    CompletableFuture<WmOrderOpRemarkResult> remarkResultFuture = wmOrderAdditionInfoThriftService.findOrderCancelledRemarkByOrderIdAsync(orderId);//业务方法，内部会发起异步rpc调用
    return remarkResultFuture
      .exceptionally(err -> {//通过exceptionally 捕获异常，打印日志并返回默认值
         log.error("WmOrderRemarkService.getCancelTypeAsync Exception orderId={}", orderId, err);
         return 0;
      });
}

有一点需要注意，CompletableFuture在回调方法中对异常进行了包装。大部分异常会封装成CompletionException后抛出，真正的异常存储在cause属性中，因此如果调用链中经过了回调方法处理那么就需要用Throwable.getCause()方法提取真正的异常。但是，有些情况下会直接返回真正的异常（Stack Overflow的讨论），最好使用工具类提取异常，如下代码所示：

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@Autowired
private WmOrderAdditionInfoThriftService wmOrderAdditionInfoThriftService;//内部接口
public CompletableFuture<Integer> getCancelTypeAsync(long orderId) {
    CompletableFuture<WmOrderOpRemarkResult> remarkResultFuture = wmOrderAdditionInfoThriftService.findOrderCancelledRemarkByOrderIdAsync(orderId);//业务方法，内部会发起异步rpc调用
    return remarkResultFuture
          .thenApply(result -> {//这里增加了一个回调方法thenApply，如果发生异常thenApply内部会通过new CompletionException(throwable) 对异常进行包装
      //这里是一些业务操作
        })
      .exceptionally(err -> {//通过exceptionally 捕获异常，这里的err已经被thenApply包装过，因此需要通过Throwable.getCause()提取异常
         log.error("WmOrderRemarkService.getCancelTypeAsync Exception orderId={}", orderId, ExceptionUtils.extractRealException(err));
         return 0;
      });
}

上面代码中用到了一个自定义的工具类ExceptionUtils，用于CompletableFuture的异常提取，在使用CompletableFuture做异步编程时，可以直接使用该工具类处理异常。实现代码如下：

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public class ExceptionUtils {
    public static Throwable extractRealException(Throwable throwable) {
          //这里判断异常类型是否为CompletionException、ExecutionException，如果是则进行提取，否则直接返回。
        if (throwable instanceof CompletionException || throwable instanceof ExecutionException) {
            if (throwable.getCause() != null) {
                return throwable.getCause();
            }
        }
        return throwable;
    }
}