面试题：Java CompletableFuture allOf性能优化及原理探讨

Question

在高并发场景下，使用CompletableFuture的allOf方法协调大量（比如1000个）异步任务时，可能会出现性能问题。请分析可能出现性能问题的原因，并提出至少两种优化方案。同时，请简要阐述CompletableFuture allOf方法的实现原理，包括线程池的使用、任务调度等方面。

Answer 1

可能出现性能问题的原因

1. 线程资源耗尽：创建大量异步任务，若使用默认的ForkJoinPool.commonPool()，可能导致线程数过多，耗尽系统资源，引发上下文切换开销增大。
2. 内存压力：大量的CompletableFuture实例及相关中间数据占用过多内存，可能导致频繁的垃圾回收，影响性能。
3. 任务调度开销：协调大量任务时，任务调度的开销会显著增加，如任务排队、线程分配等操作。

优化方案

1. 自定义线程池：
   • 创建合适大小的线程池，根据系统资源（如CPU核心数、内存等）合理设置线程池参数。例如：

   ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 2);
   CompletableFuture[] futures = new CompletableFuture[1000];
   for (int i = 0; i < 1000; i++) {
       futures[i] = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
           // 异步任务逻辑
           return null;
       }, executor);
   }
   CompletableFuture.allOf(futures).join();
   executor.shutdown();
   

2. 任务分组：
   • 将1000个任务分成若干组，每组任务使用allOf方法合并，再将每组的结果合并。例如：

   int groupSize = 100;
   CompletableFuture[] groupFutures = new CompletableFuture[1000 / groupSize];
   for (int i = 0; i < 1000 / groupSize; i++) {
       CompletableFuture[] subFutures = new CompletableFuture[groupSize];
       for (int j = 0; j < groupSize; j++) {
           subFutures[j] = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
               // 异步任务逻辑
               return null;
           });
       }
       groupFutures[i] = CompletableFuture.allOf(subFutures);
   }
   CompletableFuture.allOf(groupFutures).join();
   

3. 使用异步流：
   • Java 9引入的异步流可以更高效地处理大量异步任务。例如：

   CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture
      .supplyAsync(() -> IntStream.range(0, 1000)
           .boxed()
           .collect(Collectors.toList()))
      .thenApplyAsync(list -> list.stream()
           .map(i -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                   // 异步任务逻辑
                   return null;
               }))
           .collect(Collectors.toList()))
      .thenApplyAsync(futures -> futures.stream()
           .map(CompletableFuture::join)
           .collect(Collectors.toList()))
      .thenAcceptAsync(results -> {
           // 处理结果
       });
   future.join();
   

CompletableFuture allOf方法实现原理

1. 线程池使用：
   • 若任务使用supplyAsync等方法提交且未指定线程池，默认使用ForkJoinPool.commonPool()。这个公共线程池是一个共享的线程池，适用于大多数场景，但在高并发且任务量大时可能出现线程资源竞争问题。
2. 任务调度：
   • allOf方法接受多个CompletableFuture实例，返回一个新的CompletableFuture。这个新的CompletableFuture会在所有传入的CompletableFuture都完成时完成。
   • 当调用allOf返回的CompletableFuture的join或get方法时，会阻塞当前线程，直到所有子任务完成。在内部，它会遍历所有子CompletableFuture，为每个子任务注册一个CompletionStage，当子任务完成时，会触发相应的回调，更新父CompletableFuture的状态，当所有子任务都完成时，父CompletableFuture进入完成状态。