面试题：Java异步编程中CompletableFuture的使用及原理

Question

在Java异步编程场景下，如何使用CompletableFuture实现多个异步任务的链式调用、并行执行以及处理异常？并说明其内部的实现原理。

Answer 1

链式调用

在Java中，CompletableFuture可以通过thenApply、thenAccept、thenRun等方法实现链式调用。

1. thenApply: 用于对前一个CompletableFuture的结果进行转换，返回一个新的CompletableFuture。

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
    .thenApply(s -> s + ", World")
    .thenApply(String::toUpperCase)
    .thenAccept(System.out::println);

2. thenAccept: 用于对前一个CompletableFuture的结果进行消费，不返回新的结果。

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
    .thenAccept(s -> System.out.println(s + ", World"));

3. thenRun: 在前一个CompletableFuture完成时执行一个无参数的任务。

CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Hello")
    .thenRun(() -> System.out.println("Task completed"));

并行执行

CompletableFuture可以通过allOf和anyOf方法实现多个异步任务的并行执行。

1. allOf: 等待所有CompletableFuture都完成。

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Result1");
CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Result2");

CompletableFuture<Void> allFutures = CompletableFuture.allOf(future1, future2);
allFutures.thenRun(() -> {
    try {
        String result1 = future1.get();
        String result2 = future2.get();
        System.out.println(result1 + " " + result2);
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).join();

2. anyOf: 只要有一个CompletableFuture完成，就返回。

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    try {
        Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return "Result1";
});
CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "Result2");

CompletableFuture.anyOf(future1, future2)
    .thenApply(Object::toString)
    .thenAccept(System.out::println)
    .join();

处理异常

CompletableFuture提供了exceptionally、handle等方法来处理异常。

1. exceptionally: 当CompletableFuture发生异常时，返回一个默认值。

CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    if (Math.random() < 0.5) {
        throw new RuntimeException("Simulated exception");
    }
    return "Success";
})
.exceptionally(ex -> {
    System.out.println("Caught exception: " + ex.getMessage());
    return "Default value";
})
.thenAccept(System.out::println);

2. handle: 可以同时处理正常结果和异常情况，返回一个新的结果。

CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    if (Math.random() < 0.5) {
        throw new RuntimeException("Simulated exception");
    }
    return "Success";
})
.handle((result, ex) -> {
    if (ex != null) {
        System.out.println("Caught exception: " + ex.getMessage());
        return "Default value";
    }
    return result;
})
.thenAccept(System.out::println);

内部实现原理

1. 异步执行: CompletableFuture利用ForkJoinPool.commonPool()线程池来执行异步任务，通过AsynchronousCompletionTask接口实现任务的异步执行。
2. 链式调用: 通过在CompletableFuture对象上注册回调函数实现链式调用。当一个CompletableFuture完成时，会触发注册的回调函数，回调函数可以对结果进行处理并返回新的CompletableFuture。
3. 并行执行: allOf方法通过创建一个新的CompletableFuture，并等待所有传入的CompletableFuture都完成，anyOf方法则是只要有一个CompletableFuture完成就返回。
4. 异常处理: CompletableFuture内部通过tryCompleteThrowable方法来设置异常，当设置异常后，会触发注册的异常处理回调函数，如exceptionally和handle中注册的回调。