JAVA 多线程任务依赖结果？使用 CompletableFuture.thenCompose 链式处理 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，我们开始今天的讲座。

主题：JAVA 多线程任务依赖结果：使用 CompletableFuture.thenCompose 链式处理

大家好，今天我们要深入探讨一个在并发编程中非常常见且重要的场景：多线程任务之间存在依赖关系，并且我们需要利用 CompletableFuture 提供的 thenCompose 方法来优雅地处理这种情况。

1. 任务依赖的本质与挑战

在实际应用中，很多复杂的操作并非孤立存在，而是需要依赖于先前任务的结果。例如：

用户身份验证后获取用户详情: 首先需要验证用户的登录信息，验证成功后，再根据用户ID去数据库查询用户的详细信息。后者的查询依赖于前者的验证结果。
订单处理流程: 订单创建后，需要先进行库存检查，然后进行支付处理，最后进行物流安排。支付处理依赖于库存检查的结果（是否有足够的库存），物流安排依赖于支付处理的结果（是否支付成功）。
API 链式调用: 一个API的返回值作为另一个API的请求参数，形成一个调用链。

处理这种依赖关系的挑战在于：

并发安全: 需要确保在多线程环境下，依赖关系不会被打乱，结果不会被错误地传递。
异常处理: 如果前置任务失败，后续依赖任务应该如何处理，避免级联错误。
代码可读性: 传统的嵌套回调方式容易产生“回调地狱”，降低代码的可读性和可维护性。
性能优化: 充分利用多核CPU的并行能力，避免不必要的阻塞。

2. CompletableFuture 简介与优势

CompletableFuture 是 Java 8 引入的一个强大的异步编程工具，它代表一个异步计算的结果。它提供了一系列方法来组合、转换、处理异步任务的结果，并且支持异常处理和超时控制。

相比传统的 Future，CompletableFuture 的优势在于：

非阻塞: 允许注册回调函数，在结果可用时自动执行，无需阻塞等待。
组合性: 提供了丰富的组合方法，可以将多个 CompletableFuture 链接成一个流水线。
异常处理: 提供了专门的异常处理机制，可以优雅地处理异步任务中的异常。
手动完成: 允许手动设置 CompletableFuture 的结果，使其可以作为事件通知的机制。

3. thenCompose：构建依赖关系的利器

thenCompose 方法是 CompletableFuture 中用于处理任务依赖关系的关键方法。它的作用是：将一个 CompletableFuture 的结果作为输入，生成一个新的 CompletableFuture，并将这两个 CompletableFuture 链接起来。

thenCompose 的函数签名如下：

public <U> CompletableFuture<U> thenCompose(
    Function<? super T,? extends CompletionStage<U>> fn
)

T: 第一个 CompletableFuture 的结果类型。
U: 第二个 CompletableFuture 的结果类型。
fn: 一个函数，接受第一个 CompletableFuture 的结果作为输入，返回一个新的 CompletableFuture<U>。
返回值：一个新的 CompletableFuture<U>，它代表了整个链式操作的结果。

核心思想: thenCompose 接收一个函数作为参数，该函数会消费第一个 CompletableFuture 的结果，并返回一个新的 CompletableFuture。 thenCompose 会自动将这两个 CompletableFuture 链接起来，使得第二个 CompletableFuture 的执行依赖于第一个 CompletableFuture 的完成。

4. 代码示例：用户身份验证与获取用户详情

我们用一个具体的例子来说明 thenCompose 的用法：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class CompletableFutureExample {

    private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

    // 模拟用户验证服务
    public static CompletableFuture<String> authenticateUser(String username, String password) {
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 模拟耗时操作 (例如，访问数据库)
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
                throw new RuntimeException(e);
            }

            if ("user1".equals(username) && "password".equals(password)) {
                return "user123"; // 返回用户ID
            } else {
                throw new RuntimeException("Invalid username or password");
            }
        }, executor);
    }

    // 模拟获取用户详情服务
    public static CompletableFuture<User> getUserDetails(String userId) {
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 模拟耗时操作 (例如，访问数据库)
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
                throw new RuntimeException(e);
            }

            if ("user123".equals(userId)) {
                return new User(userId, "John Doe", "[email protected]");
            } else {
                throw new RuntimeException("User not found");
            }
        }, executor);
    }

    public static void main(String[] args) {
        CompletableFuture<User> userFuture = authenticateUser("user1", "password")
                .thenCompose(userId -> getUserDetails(userId));

        userFuture.thenAccept(user -> {
            System.out.println("User details: " + user);
        }).exceptionally(throwable -> {
            System.err.println("Error: " + throwable.getMessage());
            return null; // 或者返回一个默认值，取决于你的业务逻辑
        });

        // 为了防止主线程提前结束，等待 Future 完成
        try {
            userFuture.join(); // 或者使用 get() 方法，但需要处理异常
        } catch (Exception e) {
            System.err.println("Final Error: " + e.getMessage());
        } finally {
           executor.shutdown();
        }

    }

    static class User {
        private String userId;
        private String name;
        private String email;

        public User(String userId, String name, String email) {
            this.userId = userId;
            this.name = name;
            this.email = email;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "userId='" + userId + ''' +
                    ", name='" + name + ''' +
                    ", email='" + email + ''' +
                    '}';
        }
    }
}

代码解释：

authenticateUser 方法模拟用户验证，返回一个 CompletableFuture<String>，其中 String 是用户ID。
getUserDetails 方法模拟获取用户详情，接受用户ID作为参数，返回一个 CompletableFuture<User>。
在 main 方法中，我们使用 thenCompose 将 authenticateUser 和 getUserDetails 链接起来。authenticateUser 的结果 (用户ID) 会自动传递给 getUserDetails。
thenAccept 方法用于消费最终的结果 (User 对象)，并打印到控制台。
exceptionally 方法用于处理异常情况，如果任何一个任务失败，都会执行该方法。
executor 是一个线程池，用于异步执行任务。
userFuture.join() 等待异步任务完成。

运行结果：

如果用户名和密码正确，输出：

User details: User{userId='user123', name='John Doe', email='[email protected]'}

如果用户名或密码错误，输出：

Error: Invalid username or password

5. thenCompose 与 thenApply 的区别

thenCompose 和 thenApply 都是 CompletableFuture 中用于组合异步任务的方法，但它们之间存在重要的区别：

特性	thenApply	thenCompose
参数	`Function<T, R>` (同步函数)	`Function<T, CompletionStage<R>>` (异步函数)
返回值	`CompletableFuture<R>`	`CompletableFuture<R>`
作用	将一个 `CompletableFuture` 的结果转换为另一个值	将一个 `CompletableFuture` 的结果转换为另一个 `CompletableFuture`
场景	不需要创建新的异步任务时使用	需要创建新的异步任务，且依赖于前一个任务的结果时使用
嵌套	如果 `thenApply` 的函数返回 `CompletableFuture`，会产生嵌套的 `CompletableFuture`	`thenCompose` 会自动扁平化嵌套的 `CompletableFuture`，返回一个单一的 `CompletableFuture`

总结:

thenApply 用于同步转换 CompletableFuture 的结果。
thenCompose 用于异步转换 CompletableFuture 的结果，并且避免嵌套的 CompletableFuture。

6. 深入理解 thenCompose 的链式处理

thenCompose 可以链式调用，构建复杂的任务依赖关系。例如：

CompletableFuture<Result3> finalResult = task1()
        .thenCompose(result1 -> task2(result1))
        .thenCompose(result2 -> task3(result2));

在这个例子中，task2 依赖于 task1 的结果，task3 依赖于 task2 的结果。 thenCompose 将这三个任务链接成一个流水线，确保按照正确的顺序执行。

7. 异常处理的最佳实践

在使用 thenCompose 构建复杂的任务依赖关系时，异常处理至关重要。以下是一些最佳实践：

使用 exceptionally 方法提供一个默认值: 如果任何一个任务失败，exceptionally 方法可以提供一个默认值，避免整个链式操作失败。
使用 handle 方法处理异常和正常结果: handle 方法可以同时处理异常和正常结果，并返回一个新的 CompletableFuture。
使用 whenComplete 方法执行清理操作: whenComplete 方法无论任务成功还是失败都会执行，可以用于执行清理操作，例如关闭资源。

CompletableFuture<String> resultFuture = task1()
        .thenCompose(result1 -> task2(result1))
        .exceptionally(throwable -> {
            System.err.println("Error in task1 or task2: " + throwable.getMessage());
            return "Default Result"; // 提供一个默认值
        })
        .thenApply(result -> "Processed: " + result)
        .whenComplete((result, throwable) -> {
            if (throwable != null) {
                System.err.println("Final error: " + throwable.getMessage());
            } else {
                System.out.println("Final result: " + result);
            }
            // 清理操作，例如关闭资源
        });

8. 并发控制与线程池的选择

CompletableFuture 默认使用 ForkJoinPool.commonPool() 作为默认的线程池。在实际应用中，根据任务的类型和数量，选择合适的线程池非常重要。

CPU 密集型任务: 使用大小为 CPU 核心数 + 1 的线程池。
IO 密集型任务: 使用更大的线程池，例如 CPU 核心数 * 2 或者更多。
避免使用过大的线程池: 过大的线程池会增加上下文切换的开销，降低性能。

在上面的代码示例中，我们使用了 Executors.newFixedThreadPool(10) 创建了一个固定大小的线程池。

9. 性能优化技巧

避免阻塞操作: 尽量使用非阻塞的 API，例如 CompletableFuture.supplyAsync 而不是 CompletableFuture.completedFuture。
减少上下文切换: 避免创建过多的 CompletableFuture 对象。
使用合适的线程池: 根据任务的类型和数量选择合适的线程池。
避免长时间运行的任务阻塞线程池: 如果某个任务需要长时间运行，考虑将其拆分成更小的子任务。

10. 总结：优雅地处理任务依赖，提升并发编程效率

CompletableFuture 的 thenCompose 方法为我们提供了一种优雅的方式来处理多线程任务之间的依赖关系。通过链式调用 thenCompose，我们可以构建复杂的任务流水线，并且能够方便地进行异常处理和并发控制。理解 thenCompose 的本质，合理地运用它，能够显著提升并发编程的效率和代码的可维护性。记住，并发编程的核心在于理解任务之间的关系，并选择合适的工具来管理这些关系。

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