前言
最近遇到了一个业务场景，波及到多数据源之间的申请的流程编排，正好看到了一篇某团介绍 CompletableFuture 原理和应用的技术文章，次要还是波及应用层面。网上很多文章波及原理的局部讲的不是特地具体且比拟形象。因为波及到多线程的工具必须要了解原理，不然一旦遇到问题排查起来就只能凭玄学，正好借此梳理一下 CompletableFuture 的工作原理
背景
咱们把 Runnable 了解为最根本的线程工作，只具备在线程下执行一段逻辑的能力。为了获取执行的返回值，发明了 Callable 和与其配合应用的 Future。为了将工作之间进行逻辑编排，就诞生了 CompletableFuture。对于如何了解工作的逻辑编排，举一个简略的例子：
关上电脑 - 更新零碎这两个操作是有先后顺序的，然而泡茶和这两个操作没有先后顺序，是能够并行的，而开始办公必须要期待其余操作完结之后能力进行，这就造成了工作编排的执行链。
在 IO 密集型零碎中，相似的场景有很多。因为不同数据集的查问依赖主键不同，A 数据集的查问主键是 B 数据集的一个字段这种状况很常见，通常还须要并发查问多个数据集的数据，所以对于多线程的执行编排是有需要的。
一种解决办法是 CountDownLatch，让线程执行到某个中央后进行期待，直到依赖的工作执行完结。对于一些简略的执行链是能够满足的，然而当编排逻辑简单起来，CountDownLatch 会导致代码难以保护和调试。所以诞生了 CompletableFuture 用来形容和保护工作之间的依赖关系以进行工作编排。在理论利用中，有以下两类场景是适宜应用工作编排的：
多数据源申请的流程编排
非阻塞化网关等 NIO 场景
应用形式
创立与执行
同步办法
和 FutureTask 相似，CompletableFuture 也通过 get()办法获取执行后果。然而不同的是，CompletableFuture 自身能够不承载可执行的工作（相比 FutureTask 则必须承载一个可执行的工作 Callable），通过一个用于标记执行胜利并设置返回值的函数，在应用上也更为灵便，如下：
CompletableFuture<String> demo = new CompletableFuture<>();
demo.complete("success");
System.out.println(demo.get());复制代码
执行后果：success
和 Future 相似，get()函数也是同步阻塞的，调用 get 函数后线程会阻塞直到调用 complete 办法标记工作曾经执行胜利。
除了手动触发工作的实现，也能够让创建对象的同时就标记工作实现：
CompletableFuture<String> demo = CompletableFuture.completedFuture("success");
System.out.println(demo.get());复制代码
执行后果：success
异步办法
相比于同步办法，异步执行更为常见。比方上面这个例子：
CompletableFuture<String> demo = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println("do something by thread" + Thread.currentThread().getName());
return "success";
});
System.out.println(demo.get());复制代码
执行后果：
do something by threadForkJoinPool.commonPool-worker-9
success
supplyAsync 办法接管一个 Supplier 对象，逻辑函数交给线程池中的线程异步执行
默认会应用 ForkJoinPool 的公共线程池来执行代码（不举荐），当然也能够指定线程池，如下：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
CompletableFuture<String> demo = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println("do something by thread" + Thread.currentThread().getName());
return "success";
}, executor);
System.out.println(demo.get());复制代码
执行后果：
do something by threadpool-1-thread-1
success
如果不须要执行后果，也能够用 runAsync 办法：
CompletableFuture.runAsync(() -> {System.out.println("do something by thread" + Thread.currentThread().getName());
});复制代码
执行后果：
do something by threadForkJoinPool.commonPool-worker-9
多任务编排
多任务编排是 CompletableFuture 的外围，这里列举不同的场景来进行阐明
一元依赖
步骤 2 须要依赖步骤 1 执行结束能力执行，相似主线程的程序执行，能够通过以下形式实现：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
CompletableFuture<String> step1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println("执行【步骤 1】");
return "【步骤 1 的执行后果】";
}, executor);
CompletableFuture<String> step2 = step1.thenApply(result -> {System.out.println("上一步操作后果为：" + result);
return "【步骤 2 的执行后果】";
});
System.out.println("步骤 2 的执行后果：" + step2.get());复制代码
执行后果：
执行【步骤 1】
上一步操作后果为：【步骤 1 的执行后果】
步骤 2 的执行后果：【步骤 2 的执行后果】
通过 thenApply 办法，接管上一个 CompletableFuture 对象的返回值，其中隐含的逻辑是，该处逻辑只有等上一个 CompletableFuture 对象执行完后才会执行
二元依赖
相比于一元依赖的程序执行链，二元依赖更为常见，比方上面这个场景：
步骤 1 和 2 是并行的，而步骤 3 须要等步骤 1 和 2 执行完之后能力执行，通过 CompletableFuture 是这么实现的：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
CompletableFuture<String> step1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println("执行【步骤 1】");
return "【步骤 1 的执行后果】";
}, executor);
CompletableFuture<String> step2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println("执行【步骤 2】");
return "【步骤 2 的执行后果】";
}, executor);
CompletableFuture<String> step3 = step1.thenCombine(step2, (result1, result2) -> {System.out.println("前两步操作后果别离为：" + result1 + result2);
return "【步骤 3 的执行后果】";
});
System.out.println("步骤 3 的执行后果：" + step3.get());复制代码
执行后果：
执行【步骤 1】
执行【步骤 2】
前两步操作后果别离为：【步骤 1 的执行后果】【步骤 2 的执行后果】
步骤 3 的执行后果：【步骤 3 的执行后果】
通过 thenCombine 办法，期待 step1 和 step2 都执行结束后，获取其返回后果并执行一段新的逻辑
多元依赖
当然还可能有上面这种场景，步骤 M 须要依赖 1 - N 的 N 个前置节点：
这种状况会更为简单，实现形式如下：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
CompletableFuture<String> step1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println("执行【步骤 1】");
return "【步骤 1 的执行后果】";
}, executor);
CompletableFuture<String> step2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println("执行【步骤 2】");
return "【步骤 2 的执行后果】";
}, executor);
CompletableFuture<String> step3 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println("执行【步骤 3】");
return "【步骤 3 的执行后果】";
}, executor);
CompletableFuture<Void> stepM = CompletableFuture.allOf(step1, step2, step3);
CompletableFuture<String> stepMResult = stepM.thenApply(res -> {
// 通过 join 函数获取返回值
String result1 = step1.join();
String result2 = step2.join();
String result3 = step3.join();
return result1 + result2 + result3;
});
System.out.println("步骤 M 的后果：" + stepMResult.get());复制代码
执行后果：
执行【步骤 1】
执行【步骤 2】
执行【步骤 3】
步骤 M 的后果：【步骤 1 的执行后果】【步骤 2 的执行后果】【步骤 3 的执行后果】
通过 allOf 函数申明当参数中的所有工作执行结束后，才会执行下一步操作，然而要留神，allOf 自身只是定义节点，真正阻塞的地位是 thenApply 函数。
和之前的形式不同，因为采纳了不定变量，所以要通过 CompletableFuture#join 来获取每个工作的返回值。
除了 allOf 之外，如果咱们须要任意一个工作实现后就执行下一步操作，能够应用 anyOf 办法，如下：
// step1/2/ 3 的定义雷同
// ...
CompletableFuture<Object> stepM = CompletableFuture.anyOf(step1, step2, step3);
System.out.println("步骤 M 的后果：" + stepM.get());复制代码
执行后果：
步骤 M 的后果：【步骤 1 的执行后果】
与 allOf 不同，anyOf 的返回值即为第一个执行结束的工作
工作原理
概念
在讲原理之前，先来理解一下 CompletableFuture 的定义。在实现上，CompletableFuture 继承了 Future 和 CompletionStage
Future 毋庸置疑，CompletableFuture 最根本的能力就是获取异步计算的后果。CompletionStage 则是申明了编排节点的能力，每一个 CompletionStage 都申明了流程树上的一个节点（见下图）
CompletionStage 申明的接口 thenXXX，包含 thenApply、thenCompose 等，定义了节点之间的连贯形式（理论状况更为简单，具体原理参考下节函数剖析），通过这种形式，最终定义出一颗流程树，进而实现了多线程的工作编排。CompletionStage 的办法返回值通常是另一个 CompletionStage，进而形成了链式调用。
构造剖析
CompletableFuture 里蕴含两个变量，result 和 stack
result 很好了解，就是以后节点的执行后果。stack 就比较复杂，是一个无锁并发栈，申明了以后节点执行结束后要触发的节点列表，接下来咱们具体讲一下
CompletableFuture 中的栈设计
Completion 是一个无锁并发栈，申明了以后节点执行结束后要触发的节点列表。在结构上是一个链式节点，其中只蕴含了一个指向下一个节点的 next 对象
咱们能够看到 Completion 有繁多的实现类，示意不同的依赖形式。
咱们晓得，在 CompletableFuture 中的流程编排是通过 thenApply、thenAccept、thenCombine 等形式来实现的，
thenApply：接管上一步的处理结果，进行下一步生产，并返回后果
thenAccept：和 thenApply 相似，不过无后果返回
thenCombine：同时接管两个流程节点，等其都执行结束后一起处理结果
每个函数理论别离对应了一种 Completion 实现类，以方才的三种函数为例，别离对应了 UniApply、UniAccept、UniCombine 三个对象。所以 Completion 能够认为是流程编排逻辑的形象对象，能够了解为流程节点，或者工作节点。
以 UniCompletion 为例，构造如下：
abstract static class UniCompletion<T,V> extends Completion {
Executor executor; // 线程池
CompletableFuture<V> dep; // 实现工作依赖的 cf
CompletableFuture<T> src; // 实现工作所需资源所在的 cf
/**
* 如果工作能够被执行则返回 true，通过 FJ 标记位保障只有一个线程判断胜利。* 如果工作是异步的，则在工作启动后通过 tryFire 来执行工作
*/
final boolean claim() {
Executor e = executor;
if (compareAndSetForkJoinTaskTag((short)0, (short)1)) {if (e == null)
return true;
executor = null; // disable
e.execute(this);
}
return false;
}
/**
* 如果 dep 不为空返回 true，用以判断当前任务节点是否已被激活
*/
final boolean isLive() {return dep != null;}}
复制代码
先来看 claim 函数，这个比拟容易解释，该函数用于判断工作是否可被执行。通过 compareAndSetForkJoinTaskTag 函数的 CAS 操作保障只有一个线程执行胜利，次要作用就是在多线程状况下确保工作的正确执行。
接下来就是重头戏，源工作与依赖工作，这两个概念是 CompletableFuture 的外围，贯通了所有逻辑的执行，只有了解了这两个概念，能力对执行原理有比拟透彻的了解
源工作与依赖工作
源工作和依赖工作在 UniCompletion 中别离为 src 和 dep 属性，举个具体的例子，比方上面这段代码：
CompletableFuture<String> a = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
return "A";});
CompletableFuture<String> b = a.thenApply(res -> {
return "B" + res;});
复制代码
调用 a.thenApply(Function fn)时，能够认为是生成了一个 UniApply 的流程节点（具体怎么生成的下文会提到），其中源工作就是 a，而依赖工作则是 thenApply 的返回值。
换个简略的说法，在下面的代码中，咱们有 a、b 两个工作，b 工作的实现须要依赖于 a 工作的实现，所以 a 会生成一个流程节点（UniApply 对象），其中蕴含了 b 想要执行实现的全副资源（a 的执行后果等），这时 a 工作就叫做源工作（因为 a 工作中有工作资源）。而 b 工作须要依赖 a 工作来实现，所以 b 工作叫做依赖工作。
源工作的实现会触发依赖工作的执行，这个就是工作编排的基本原理
函数剖析
在本节中，CompletableFuture 因为名字太长，会以 cf 来代指
因为 thenAccept、thenCombine 函数等逻辑比拟相似，咱们以最根底的 thenApply 函数为例进行剖析
外围函数
咱们先不要间接从 thenApply、complete 等函数动手，咱们先来看这几个外围函数，不明确做什么的不要紧，先了解这几个函数的原理就好
uniApply
CompletableFuture 的逻辑在于“只有当 X 条件满足时，再执行 Y 逻辑”，uniApply 函数就是负责这样的逻辑判断，首先看源码：
final <S> boolean uniApply(CompletableFuture<S> a,
Consumer<? super S> f, UniApply<S> c) {
Object r; Throwable x;
// 1
if (a == null || (r = a.result) == null || f == null)
return false;
tryComplete: if (result == null) {if (r instanceof AltResult) {if ((x = ((AltResult)r).ex) != null) {completeThrowable(x, r);
break tryComplete;
}
r = null;
}
try {
// 2
if (c != null && !c.claim())
return false;
// 3
S s = (S) r;
completeValue(f.apply(s));
} catch (Throwable ex) {completeThrowable(ex);
}
}
return true;}
复制代码
整个办法能够分为三段（已在代码中标出），咱们离开来说。
第一段，判断所给的工作节点是否曾经执行结束，如果曾经执行结束则进入下一步
第二段，如果有关联的流程节点，则通过 claim 函数判断当前任务是否可被执行，如果可执行则进入下一步（确保多线程状况下工作的正确执行）
第三段，执行传入的函数并把值设置到以后对象中。
整个逻辑是这样的，首先咱们传入了一个 cf 对象、一个函数，和一个流程节点。只有当传入的 cf 对象执行实现（result 不为空），再执行给定的函数，并把执行后果设置到以后对象中。如果不思考非凡状况，uniApply 办法用一句话解释就是：如果给定的工作曾经执行结束，就执行传入的函数并把执行后果设置到以后对象中
tryFire
uniApply 函数仅仅是一个有条件的函数执行器，真正想要达到工作编排还须要其余函数的参加，咱们先来看 tryFire 办法：
final CompletableFuture<V> tryFire(int mode) {
CompletableFuture<V> d; CompletableFuture<T> a;
if ((d = dep) == null ||
!d.uniApply(a = src, fn, mode > 0 ? null : this))
return null;
dep = null; src = null; fn = null;
return d.postFire(a, mode);}
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tryFire 依据关联关系的不同有多种实现，理论执行流程相差不大，这里以罕用的 UniApply 的实现来举例。
首先这个办法接管了一个 mode 参数，有以下几种取值：
-1：流传模式，或者叫嵌套模式。示意工作理论曾经执行结束，只是在传递状态
0：同步模式。工作由以后线程调用解决
1：异步模式。工作须要提交到指定线程池解决
依据 mode 的不同，理论 tryFire 执行的流程也会产生很大区别。不过归根到底，tryFire 办法的实质是调用了 uniApply 执行一次工作，如果执行胜利，则会清空 dep、src 等本身属性（清空之后 isLive 办法会返回 false，示意工作曾经执行结束），同时通过 postFire 办法执行该工作下的其余依赖工作，实现工作的流传执行。
postFire 办法因为和 tryFire 办法关联比拟亲密，这里放在一起阐明：
final CompletableFuture<T> postFire(CompletableFuture<?> a, int mode) {
if (a != null && a.stack != null) {if (mode < 0 || a.result == null)
a.cleanStack();
else
a.postComplete();}
if (result != null && stack != null) {if (mode < 0)
return this;
else
postComplete();}
return null;}
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这里简略概括一下执行原理，如果是嵌套模式，则清理栈内有效工作，并返回对象自身（能够认为什么都没做）；否则通过 postComplete 办法执行栈内依赖此工作的其余工作项
postComplete
当一个 CompletionStage 执行实现之后，会触发依赖它的其余 CompletionStage 的执行，这些 Stage 的执行又会触发新一批的 Stage 执行，这就是工作的程序编排
如果说 uniApply 是根底性能，是负责线程平安且恪守依赖程序地执行一个函数，那么 postComplete 就是外围逻辑，负责当一个工作执行结束后触发依赖该工作的其余工作项，先来看源码：
final void postComplete() {
CompletableFuture<?> f = this; Completion h;
// 1
while ((h = f.stack) != null ||
(f != this && (h = (f = this).stack) != null)) {
CompletableFuture<?> d; Completion t;
// 2
if (f.casStack(h, t = h.next)) {if (t != null) {if (f != this) {pushStack(h);
continue;
}
h.next = null; // detach
}
// 3
f = (d = h.tryFire(NESTED)) == null ? this : d;
}
}}
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在源码上标记了三个地位，别离代表三层构造，首先是第一层 while 循环，只有以后对象栈中还有流程节点，那么就循环执行外部逻辑。
第二层，因为 continue 的存在，和第一层联合起来看就是一个批量压栈的操作，将所有须要触发的依赖树按程序压入以后对象栈中。
第三层，通过 tryFire 按程序触发栈中所有的依赖工作。上节咱们能够看到 tryFire 函数内依据 mode 的不同会触发不同的逻辑，这里 mode 指定为 NESTED 就是为了防止循环调用 postComplete
执行函数
几个外围函数介绍完了，接下来咱们回到最外层，来看看工作是如何执行的，首先咱们以 thenApply 为例剖析外围执行函数
supplyAsync（理论调用为 asyncSupplyStage）
该办法用于提交一个工作到线程池中执行，并将该工作打包为一个 CompletableFuture 节点
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;}
复制代码
其中 AsyncSupply 实现了 Runnable 接口，所以了解为一种非凡的工作即可。这种工作在执行实现后会调用 completeValue 将函数执行的后果设置以后对象中。
所以整体逻辑为，首先创立一个 cf 对象，并立刻将工作增加到线程池执行，在执行结束后会将工作执行的后果保留到所创立的 cf 对象中。
complete
public boolean complete(T value) {
boolean triggered = completeValue(value);
postComplete();
return triggered;}
复制代码
该办法间接调用 completeValue 办法设置值，设置完值之后调用 postComplete 办法来顺次执行后续工作。当调用该办法时，会实现工作的依赖扩散执行
thenApply（理论调用为 uniApplyStage）
private <V> CompletableFuture<V> uniApplyStage(
Executor e, Function<? super T,? extends V> f) {if (f == null) throw new NullPointerException();
CompletableFuture<V> d = new CompletableFuture<V>();
if (e != null || !d.uniApply(this, f, null)) {UniApply<T,V> c = new UniApply<T,V>(e, d, this, f);
push(c);
c.tryFire(SYNC);
}
return d;}
复制代码
联合上节剖析的外围函数，咱们很容易能够剖析该函数的流程：执行 function 函数，如果条件不满足则执行失败，会生成一个流程节点并压入栈，同时再通过 tryFire 再尝试执行一次，如果条件仍然不满足，那么只能期待所依赖的工作执行实现后通过 postComplete 触发执行。
get
public T get() throws InterruptedException, ExecutionException {
Object r;
return reportGet((r = result) == null ? waitingGet(true) : r);}
复制代码
办法外围在于 waitingGet，外部应用了 ForkJoinPool.managedBlock 来阻塞线程直到执行结束
流程剖析
在函数剖析中，咱们理论曾经阐明了工作依赖执行的基本原理，这里为了更为具体地阐明，咱们以一个简略的例子来剖析。
首先咱们抛开所有简单的因素，以最根本的同步串行代码来讲，咱们当初有这样一个对象：
CompletableFuture<String> A = new CompletableFuture<>();复制代码
而后咱们这时候给其加上了工作编排，减少了一个 thenApply 依赖
AtomicInteger seq = new AtomicInteger(0);
Function<String, String> func = s -> s + "|" + seq.incrementAndGet();
CompletableFuture<String> a = new CompletableFuture<>();
CompletableFuture<String> b = a.thenApply(func);复制代码
于是咱们就有了这样一个构造，A 的 stack 中压入了一个 Completion 节点，该节点的源工作指向 A 自身，而依赖工作指向了 B，示意 B 工作依赖 A 工作的执行。
接下来咱们再加一条依赖
AtomicInteger seq = new AtomicInteger(0);
Function<String, String> func = s -> s + "|" + seq.incrementAndGet();
CompletableFuture<String> a = new CompletableFuture<>();
CompletableFuture<String> b = a.thenApply(func);
CompletableFuture<String> c = a.thenApply(func);复制代码
咱们会发现两个特点：
和栈的性质一样，越晚增加的编排逻辑越早被执行
基于同一个对象衍生进去的流程节点的源工作是统一的
以此类推，thenXXX 的其余逻辑也是相似的原理，当 a 调用 complete 函数时（无论是同步还是异步），都会顺次触发 A 工作的 stack 下挂接的其余依赖工作。而只有 a 没有调用 complete 函数，那么 thenApply 中挂接的依赖工作无论如何都无奈执行（因为 a 对象的 result 属性为空）
注意事项
防止主工作和子工作向同一个线程池中申请线程，因为存在依赖关系，当通过 join 来获取子工作的值时，一旦子工作因为线程队列已满进入阻塞队列，那么将会造成死