JAVA CompletableFuture任务依赖造成线程阻塞的底层原因分析

Java CompletableFuture 任务依赖造成线程阻塞的底层原因分析

各位听众，大家好！今天我们来深入探讨一个在并发编程中经常遇到的问题：Java CompletableFuture 任务依赖造成的线程阻塞。CompletableFuture 作为 Java 8 引入的强大的异步编程工具，极大地简化了并发代码的编写。然而，如果不正确地使用它，很容易掉入线程阻塞的陷阱，导致程序性能下降甚至崩溃。

一、CompletableFuture 简介：异步编程的基础

在深入分析阻塞原因之前，我们先简单回顾一下 CompletableFuture 的基本概念。CompletableFuture 代表一个异步计算的结果，它允许我们以非阻塞的方式执行任务，并在任务完成时执行回调。

CompletableFuture 的核心优势在于其提供的丰富的 API，用于组合、编排和处理异步任务的结果。例如：

• thenApply(Function)：当 CompletableFuture 完成时，将结果传递给 Function 进行转换。
• thenAccept(Consumer)：当 CompletableFuture 完成时，将结果传递给 Consumer 进行消费。
• thenRun(Runnable)：当 CompletableFuture 完成时，执行 Runnable。
• thenCompose(Function)：将一个 CompletableFuture 的结果作为另一个 CompletableFuture 的输入，用于构建依赖关系。
• allOf(CompletableFuture...)：等待所有 CompletableFuture 完成。
• anyOf(CompletableFuture...)：等待任何一个 CompletableFuture 完成。

这些 API 使得我们可以轻松地构建复杂的异步流程，而无需手动管理线程和锁。

二、任务依赖与阻塞：问题的根源

CompletableFuture 的任务依赖关系是导致线程阻塞的常见原因。任务依赖指的是一个 CompletableFuture 的执行依赖于另一个 CompletableFuture 的结果。例如，任务 A 必须在任务 B 完成后才能开始。

当任务依赖关系处理不当时，就可能发生以下两种类型的阻塞：

1. 同步阻塞 (Synchronous Blocking): 如果一个 CompletableFuture 使用同步方式等待另一个 CompletableFuture 的结果，并且被依赖的 CompletableFuture 尚未完成，那么等待线程将被阻塞。

2. 线程池耗尽阻塞 (Thread Pool Exhaustion Blocking): 如果所有线程池线程都被阻塞在等待其他 CompletableFuture 的结果，那么后续提交到线程池的任务将无法执行，导致系统整体阻塞。

三、同步阻塞的示例与分析

让我们通过一个具体的例子来演示同步阻塞。

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class SynchronousBlockingExample {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000); // 模拟耗时操作
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            return "Result from Future 1";
        });

        CompletableFuture<String> future2 = future1.thenApply(result -> {
            // 同步等待 future1 的结果
            try {
                System.out.println("Future 1 Result: " + future1.get()); //同步等待
                Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作
            } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return "Result from Future 2 based on " + result;
        });

        System.out.println(future2.get()); // 同步等待 future2 的结果
    }
}

在这个例子中，future2 依赖于 future1 的结果。future2 的 thenApply 方法内部使用了 future1.get() 来同步等待 future1 的结果。这意味着 future2 的计算必须等待 future1 完成，如果 future1 的执行时间很长，future2 的执行将被阻塞。更糟糕的是，main线程也调用了future2.get()，使得main线程也阻塞。

分析:

• future1 在一个独立的线程中执行，模拟一个耗时 2 秒的操作。
• future2 的 thenApply 方法被设计为依赖 future1 的结果，但它使用了 future1.get() 来同步等待结果。这违反了异步编程的原则，导致 thenApply 中的线程被阻塞。
• main线程也使用了future2.get()同步等待future2的结果，也造成了阻塞。

正确的做法:

避免在异步任务中使用 get() 方法进行同步等待。可以使用 thenApply、thenAccept、thenCompose 等方法来异步地处理结果。

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class CorrectedSynchronousBlockingExample {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000); // 模拟耗时操作
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            return "Result from Future 1";
        });

        CompletableFuture<String> future2 = future1.thenApplyAsync(result -> { // 使用 thenApplyAsync
            System.out.println("Future 1 Result: " + result);
            try {
                Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return "Result from Future 2 based on " + result;
        });

        future2.thenAccept(result -> System.out.println(result)); // 异步处理结果
        System.out.println("Main thread continues without blocking");
        Thread.sleep(4000); // 等待足够的时间让异步任务完成
    }
}

在这个修正后的例子中，我们使用了 thenApplyAsync 代替 thenApply，并且在 thenApplyAsync 内部不再使用 future1.get()。这确保了 future2 的计算以异步方式进行，不会阻塞任何线程。main线程也通过thenAccept异步处理结果，不再阻塞。

四、线程池耗尽阻塞的示例与分析

线程池耗尽阻塞是一种更隐蔽的阻塞形式。它发生在所有线程池线程都被阻塞在等待其他 CompletableFuture 的结果时。

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

public class ThreadPoolExhaustionExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); // 限制线程池大小

        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            return "Result from Future 1";
        }, executor);

        CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            return "Result from Future 2";
        }, executor);

        CompletableFuture<String> future3 = future1.thenCombine(future2, (r1, r2) -> {
            try {
                // 关键：同步等待 future1 和 future2 的结果
                String result1 = future1.get();
                String result2 = future2.get();
                return "Combined result: " + result1 + " and " + result2;
            } catch (InterruptedException | java.util.concurrent.ExecutionException e) {
                e.printStackTrace();
                return "Error combining results";
            }
        });

        System.out.println(future3.get()); //等待future3的结果
        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(10, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS);
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个大小为 2 的固定线程池。future1 和 future2 各占用一个线程。future3 依赖于 future1 和 future2 的结果，并且使用了 future1.get() 和 future2.get() 来同步等待结果。由于线程池大小有限，并且 future3 需要一个线程来执行 thenCombine 中的代码，但是所有线程都被 future1 和 future2 占用，因此 future3 的任务无法执行，导致线程池耗尽阻塞。最终导致整个程序卡死，future3一直在等待future1和future2执行完成，但是执行future3的线程必须等待线程池空闲才能拿到，导致死锁。

分析:

• future1 和 future2 在线程池中执行，各自占用一个线程。
• future3 的 thenCombine 方法需要一个线程来执行，但由于线程池大小为 2，并且所有线程都被 future1 和 future2 占用，因此 future3 的任务无法执行。
• future1.get()和future2.get()导致执行thenCombine的线程阻塞，等待future1和future2完成，从而导致死锁。

解决方法:

1. 避免同步等待: 避免在异步任务中使用 get() 方法进行同步等待。使用 thenApplyAsync、thenAcceptAsync、thenComposeAsync 等方法来异步地处理结果。
2. 增加线程池大小: 如果必须进行同步等待，可以考虑增加线程池的大小，以减少线程池耗尽的风险。但是，增加线程池大小可能会导致其他问题，例如上下文切换开销增加。
3. 使用 ForkJoinPool: ForkJoinPool 是一种特殊类型的线程池，它具有工作窃取 (work-stealing) 的功能。当一个线程的任务被阻塞时，它可以窃取其他线程的任务来执行，从而提高线程利用率。

修正后的代码:

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

public class CorrectedThreadPoolExhaustionExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); // 限制线程池大小

        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            return "Result from Future 1";
        }, executor);

        CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            return "Result from Future 2";
        }, executor);

        CompletableFuture<String> future3 = future1.thenCombineAsync(future2, (r1, r2) -> {
            return "Combined result: " + r1 + " and " + r2;
        }, executor);

        System.out.println(future3.get()); //等待future3的结果
        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(10, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS);
    }
}

在这个修正后的例子中，我们使用了 thenCombineAsync 代替 thenCombine，这确保了 future3 的计算以异步方式进行，不会阻塞任何线程。同时，指定了executor来运行thenCombineAsync的任务，避免了使用默认的ForkJoinPool。

五、避免阻塞的最佳实践

为了避免 CompletableFuture 任务依赖造成的线程阻塞，可以遵循以下最佳实践：

1. 避免同步等待: 永远不要在异步任务中使用 get() 方法进行同步等待。使用 thenApply、thenAccept、thenCompose 等方法来异步地处理结果。
2. 使用异步版本的 API: 优先使用 thenApplyAsync、thenAcceptAsync、thenComposeAsync 等异步版本的 API，而不是同步版本的 API。
3. 合理配置线程池: 根据任务的特性和系统资源，合理配置线程池的大小。避免线程池过小导致线程池耗尽阻塞，也避免线程池过大导致上下文切换开销增加。
4. 使用 ForkJoinPool: 对于 CPU 密集型任务，可以考虑使用 ForkJoinPool，它可以提高线程利用率。
5. 监控线程池: 定期监控线程池的使用情况，例如线程池大小、活跃线程数、队列长度等，以便及时发现和解决问题。

六、案例分析：电商订单处理流程

让我们通过一个电商订单处理流程的案例来演示如何避免 CompletableFuture 任务依赖造成的线程阻塞。

假设一个电商订单处理流程包括以下步骤：

1. 验证订单信息。
2. 扣减库存。
3. 生成支付订单。
4. 发送短信通知。

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

public class OrderProcessingExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);

        CompletableFuture<String> orderFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 1. 验证订单信息
            System.out.println("Validating order information...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            return "Order validated";
        }, executor);

        CompletableFuture<String> inventoryFuture = orderFuture.thenApplyAsync(result -> {
            // 2. 扣减库存
            System.out.println("Deducting inventory...");
            try {
                Thread.sleep(1500);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            return "Inventory deducted";
        }, executor);

        CompletableFuture<String> paymentFuture = orderFuture.thenApplyAsync(result -> {
            // 3. 生成支付订单
            System.out.println("Generating payment order...");
            try {
                Thread.sleep(1200);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            return "Payment order generated";
        }, executor);

        CompletableFuture<String> smsFuture = orderFuture.thenApplyAsync(result -> {
            // 4. 发送短信通知
            System.out.println("Sending SMS notification...");
            try {
                Thread.sleep(800);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            return "SMS notification sent";
        }, executor);

        CompletableFuture.allOf(inventoryFuture, paymentFuture, smsFuture)
                .thenRun(() -> System.out.println("Order processing completed."));

        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(10, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS);
    }
}

在这个例子中，我们使用了 thenApplyAsync 来异步地执行每个步骤，避免了线程阻塞。allOf 方法用于等待所有步骤完成，然后再执行最终的完成通知。

七、调试技巧

当遇到 CompletableFuture 任务依赖造成的线程阻塞时，可以使用以下调试技巧：

1. Thread Dump: 使用 jstack 命令或 Java VisualVM 等工具生成线程 Dump，可以查看线程的当前状态，例如是否被阻塞、正在等待哪个锁等。
2. 日志: 在关键代码处添加日志，可以跟踪任务的执行流程和时间。
3. Profiler: 使用 Java Profiler 工具，例如 JProfiler、YourKit 等，可以分析程序的性能瓶颈，例如哪些方法执行时间过长、哪些线程被阻塞等。

八、使用工具避免阻塞

除了编码规范和最佳实践，还可以使用一些工具来帮助我们避免 CompletableFuture 任务依赖造成的线程阻塞。

• Reactor: Reactor 是一个响应式编程框架，它提供了一种更高级的异步编程模型，可以更好地处理任务依赖和并发。
• RxJava: RxJava 是另一个流行的响应式编程框架，它也提供了一种更高级的异步编程模型。

工具	优点	缺点
Reactor	强大的异步编程模型，易于处理复杂的任务依赖关系，背压支持，更好的错误处理机制。	学习曲线较陡峭，需要理解响应式编程的概念。
RxJava	强大的异步编程模型，易于处理复杂的任务依赖关系，丰富的操作符，跨平台支持。	学习曲线较陡峭，需要理解响应式编程的概念，在某些场景下性能可能不如 Reactor。
CompletableFuture	Java 原生支持，易于上手，无需引入额外的依赖。	处理复杂的任务依赖关系比较繁琐，容易出现阻塞问题，错误处理机制不够完善。

避免阻塞，让异步发挥更大作用

今天，我们深入探讨了 Java CompletableFuture 任务依赖造成的线程阻塞问题，并分析了其底层原因和解决方法。希望通过今天的分享，大家能够更好地理解 CompletableFuture 的工作原理，并在实际开发中避免线程阻塞，充分发挥异步编程的优势。记住，异步编程的本质是不阻塞，只有这样，才能构建出高性能、高可用的并发系统。