面试题：Java CompletableFuture whenComplete方法的性能优化及原理深入分析

Question

在高并发场景下使用CompletableFuture的whenComplete方法时，可能会遇到性能瓶颈。请分析whenComplete方法的实现原理，指出可能导致性能问题的点，并提出至少两种优化方案，同时说明每种方案的适用场景和可能带来的副作用。

Answer 1

whenComplete方法实现原理

CompletableFuture的whenComplete方法用于在CompletableFuture完成（无论是正常完成还是异常完成）时，执行一个特定的动作。该方法接收一个BiConsumer作为参数，当CompletableFuture状态改变时，会将计算结果（若正常完成）或异常（若异常完成）传递给这个BiConsumer并执行。它是通过注册回调函数到CompletableFuture的内部状态机实现的，当CompletableFuture完成时，会触发这些回调。

可能导致性能问题的点

1. 串行执行回调：whenComplete注册的回调是顺序执行的，如果有多个回调，并且某些回调执行时间较长，会阻塞后续回调的执行，在高并发场景下影响整体性能。
2. 线程上下文切换：若回调任务执行在与CompletableFuture计算任务不同的线程，频繁的线程上下文切换会消耗系统资源，降低性能。
3. 内存开销：大量的CompletableFuture实例及其回调会占用较多内存，可能导致频繁的垃圾回收，影响性能。

优化方案

1. 使用异步回调
   • 适用场景：适用于回调任务执行时间较长且不依赖CompletableFuture计算结果立即返回的场景，例如进行日志记录、数据异步持久化等。
   • 实现方式：使用whenCompleteAsync方法替代whenComplete，该方法会将回调任务提交到默认的ForkJoinPool.commonPool()或指定的Executor中执行，实现异步执行回调。
   • 可能带来的副作用：增加了线程调度和上下文切换的开销，如果回调任务过于短小，这种开销可能得不偿失。此外，使用默认的ForkJoinPool.commonPool()可能会导致线程饥饿问题，特别是当任务队列中有大量长时间运行的任务时。
2. 合并回调
   • 适用场景：当多个whenComplete回调任务逻辑可以合并时适用，例如多个回调都是对结果进行不同维度的日志记录。
   • 实现方式：将多个回调逻辑合并到一个BiConsumer中，减少回调的数量，从而减少顺序执行带来的阻塞。
   • 可能带来的副作用：代码的可读性可能会降低，因为原本分离的逻辑合并到了一起，维护和调试相对困难。
3. 自定义线程池
   • 适用场景：适用于对线程资源有严格控制和管理需求的场景，比如需要限制线程数量、设置线程优先级等。
   • 实现方式：创建一个自定义的ExecutorService，并将其作为参数传递给whenCompleteAsync方法，使得回调任务在自定义线程池中执行。
   • 可能带来的副作用：需要自行管理线程池的生命周期，包括线程池的创建、销毁以及处理线程池满等异常情况，增加了代码的复杂性。如果线程池参数设置不合理，可能导致资源浪费或任务执行缓慢。