java8 Future異步調(diào)用實(shí)現(xiàn)方式

更新時(shí)間：2025年09月30日 09:34:05 作者：愛(ài)思考的實(shí)踐者

文章介紹了同步與異步調(diào)用的區(qū)別,Java中通過(guò)Future和CompletableFuture實(shí)現(xiàn)異步任務(wù),后者提供更簡(jiǎn)潔的API,比較了流順序執(zhí)行、并行及自定義異步執(zhí)行的效率,指出并行和自定義異步顯著提升性能

一、同步與異步調(diào)用概念

同步API：調(diào)用方在調(diào)用某個(gè)方法后，等待被調(diào)用方返回結(jié)果；調(diào)用方在取得被調(diào)用方的返回值后，再繼續(xù)運(yùn)行。調(diào)用方順序執(zhí)行，同步等待被調(diào)用方的返回值，這就是阻塞式調(diào)用。
異步API：調(diào)用方在調(diào)用某個(gè)方法后，直接返回，不需要等待被調(diào)用方返回結(jié)果；被調(diào)用方開(kāi)啟一個(gè)線程處理任務(wù)，調(diào)用方可以同時(shí)去處理其他工作。調(diào)用方和被調(diào)用方是異步的，這就是非阻塞式調(diào)用。

在Java種，F(xiàn)uture用來(lái)完成異步工作任務(wù)，極大地提高了程序的運(yùn)行效率。

二、Future實(shí)現(xiàn)異步調(diào)用

2.1 future實(shí)現(xiàn)異步調(diào)用的方式

在Java8之前，直接使用Future以異步的方式執(zhí)行一個(gè)耗時(shí)的操作。通過(guò)這種編程方式，調(diào)用方線程使用ExecutorService，以并發(fā)方式調(diào)用另一個(gè)線程，在執(zhí)行耗時(shí)操作的同時(shí)，去執(zhí)行一些其他的任務(wù)。

代碼示例：

package com.mvp.test;

import org.junit.Test;

import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;

public class FutureUseTest {
    //創(chuàng)建Executor-Service，實(shí)現(xiàn)向線程池提交任務(wù)
    ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

    @Test
    public void futureTest() {
        long start = System.nanoTime();
        //向 Executor-Service 提交一個(gè)Callable 對(duì)象
        Future<Double> future = executor.submit(new Callable<Double>() {
            public Double call() {
                //以異步方式在新的線程中執(zhí)行耗時(shí)的操作
                return doSomeLongComputation(start);
            }
        });
        //異步操作進(jìn)行的同時(shí)，你可以做其他的事情
        doSomethingElse(start);
        Double result = 0.0;
        try {
            //獲取異步操作的結(jié)果，如果最終被阻塞，無(wú)法得到結(jié)果，那么在最多等待1秒鐘之后退出
            result = future.get(2, TimeUnit.SECONDS);
//            result = future.get();
        } catch (ExecutionException ee) {
            System.out.println("ExecutionException="  + Arrays.toString(ee.getStackTrace()));
            // 計(jì)算拋出一個(gè)異常
        } catch (InterruptedException ie) {
            System.out.println("InterruptedException="  + Arrays.toString(ie.getStackTrace()));
            // 當(dāng)前線程在等待過(guò)程中被中斷
        } catch (TimeoutException te) {
            System.out.println("TimeoutException="  + Arrays.toString(te.getStackTrace()));
            // 在Future對(duì)象完成之前超過(guò)已過(guò)期
        }
        System.out.println("全部計(jì)算完成,耗時(shí)："+ (System.nanoTime() - start) / 1_000_000 + " msecs");
        System.out.println("result=" + result);
    }

    public double doSomeLongComputation(Long start) {
        delayLong();
        System.out.println("異步執(zhí)行一個(gè)長(zhǎng)的計(jì)算,耗時(shí)：" + (System.nanoTime() - start) / 1_000_000 + " msecs");
        return 65000.00;
    }
    public void doSomethingElse(Long start) {
        delay();
        System.out.println("當(dāng)前線程做別的計(jì)算,耗時(shí)："+ (System.nanoTime() - start) / 1_000_000 + " msecs");
    }

    private void delay() {
        try {
            Thread.sleep( (long) (Math.random() * 1000));
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void delayLong() {
        try {
            Thread.sleep(1500);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果為：

當(dāng)前線程做別的計(jì)算,耗時(shí)：403 msecs
異步執(zhí)行一個(gè)長(zhǎng)的計(jì)算,耗時(shí)：1506 msecs
全部計(jì)算完成,耗時(shí)：1506 msecs
result=65000.0

2.2 使用CompletableFuture來(lái)實(shí)現(xiàn)異步調(diào)用

在java中，引入了CompletableFuture，更為方便地實(shí)現(xiàn)異步調(diào)用。

代碼示例為：

package com.mvp.test;

import org.junit.Test;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.Future;

public class CompletableFutureUsetTest {

    private double calculateAsyncPrice(String product) {
        delayLong();
        double price = new Random().nextDouble()* 1000 + 150;
        // System.out.println("calculate Price Of " + product + "is: " + price);
        return price;
    }

    private double calculatePrice(String product) {
        delay();
        double price = new Random().nextDouble()* 1000 + 150;
        // System.out.println("calculate Price Of " + product + "is: " + price);
        return price;
    }

    public Future<Double> getPriceAsync(String product) {
        // 創(chuàng)建 CompletableFuture對(duì)象，它會(huì)包含計(jì)算的結(jié)果
        CompletableFuture<Double> futurePrice = new CompletableFuture<>();
        // 在另一個(gè)線程中以異步方式執(zhí)行計(jì)算
        new Thread( () -> {
            System.out.println("異步線程處理中");
            try {
                // 如果價(jià)格計(jì)算正常結(jié)束，完成Future操作，并設(shè)置商品價(jià)格
                double price = calculateAsyncPrice(product);
                // 設(shè)置Future的返回值，用以獲得需長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算的任務(wù)的結(jié)果
                futurePrice.complete(price);
            } catch (Exception ex) {
                // 若存在導(dǎo)致失敗的異常，則強(qiáng)制這次Future操作異常結(jié)束，并拋出Future完成異常
                futurePrice.completeExceptionally(ex);
            }
        }).start();
        // 無(wú)需等待，直接返回 Future 對(duì)象
        return futurePrice;
    }

    public double getPriceDirect(Long start, String product) {
        double price = calculatePrice(product);
        System.out.println("當(dāng)前線程去查詢" + product + "的價(jià)格,耗時(shí)："+ (System.nanoTime() - start) / 1_000_000 + " msecs");
        return price;
    }

    @Test
    public void completableFutureTest() {
        // 執(zhí)行異步任務(wù)
        long startNanoTime = System.nanoTime();
        Future<Double> futurePrice = getPriceAsync("籃球");
        long returnFutureNanoTime = System.nanoTime();
        long invocationTime = ((returnFutureNanoTime - startNanoTime) / 1_000_000);
        System.out.println("調(diào)用getPriceAsyc方法直接返回,耗時(shí)： " + invocationTime + " msecs");

        // 執(zhí)行同步任務(wù)
        double priceDirect = getPriceDirect(returnFutureNanoTime, "足球");

        double priceAsync = 0.0;
        try {
            priceAsync = futurePrice.get();
//            priceAsync = futurePrice.get(1, TimeUnit.SECONDS);
        } catch (Exception e) {
            //throw new RuntimeException(e);
            System.out.println("exception=" + e.toString());
        }
        System.out.printf("籃球和足球的總價(jià)格是： %.2f, futurePrice.get()耗時(shí)=%s msecs %n", priceAsync + priceDirect, (System.nanoTime() - returnFutureNanoTime) / 1_000_000);

        long retrievalTime = ((System.nanoTime() - startNanoTime) / 1_000_000);
        System.out.println("總耗時(shí)：" + retrievalTime + " msecs");
    }

    private void delay() {
        try {
            //Thread.sleep( (long) (Math.random() * 1000));
            Thread.sleep( 200);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void delayLong() {
        try {
            Thread.sleep( 1500);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果為：

調(diào)用getPriceAsyc方法直接返回,耗時(shí)： 199 msecs
異步線程處理中
當(dāng)前線程去查詢足球的價(jià)格,耗時(shí)：201 msecs
籃球和足球的總價(jià)格是： 914.33, futurePrice.get()耗時(shí)=1500 msecs
總耗時(shí)：1704 msecs

CompletableFuture類提供了大量精巧的工廠方法，使用這些方法能更容易地完成整個(gè)流程，不需擔(dān)心實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。

例如，在采用supplyAsync方法后，可以用一行語(yǔ)句重寫(xiě)上例中的getPriceAsync方法，如下所示：

package com.mvp.test;

import org.junit.Test;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.Future;

public class CompletableFutureSupplyAsyncTest {

    private double calculateAsyncPrice(String product) {
        delayLong();
        double price = new Random().nextDouble()* 1000 + 150;
        //System.out.println("calculate Price Of " + product + "is: " + price);
        return price;
    }

    private double calculatePrice(String product) {
        delay();
        double price = new Random().nextDouble()* 1000 + 150;
        //System.out.println("calculate Price Of " + product + "is: " + price);
        return price;
    }

    //使用工廠方法 supplyAsync 創(chuàng)建 CompletableFuture 對(duì)象
    public Future<Double> getPriceAsync(String product) {
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> calculateAsyncPrice(product));
    }

    public double getPriceDirect(Long start, String product) {
        double price = calculatePrice(product);
        System.out.println("當(dāng)前線程去查詢" + product + "的價(jià)格, 耗時(shí)："+ (System.nanoTime() - start) / 1_000_000 + " msecs");
        return price;
    }

    @Test
    public void futureSupplyAsyncTest() {
        // 執(zhí)行異步任務(wù)
        long startNanoTime = System.nanoTime();
        Future<Double> futurePrice = getPriceAsync("籃球");
        long returnFutureNanoTime = System.nanoTime();
        long invocationTime = ((returnFutureNanoTime - startNanoTime) / 1_000_000);
        System.out.println("調(diào)用getPriceAsyc方法直接返回,耗時(shí)： " + invocationTime + " msecs");

        // 執(zhí)行同步任務(wù)
        long startSyncNanoTime = System.nanoTime();
        double priceDirect = getPriceDirect(startSyncNanoTime, "足球");

        double priceAsync = 0.0;
        try {
            priceAsync = futurePrice.get();
            // priceAsync = futurePrice.get(1, TimeUnit.SECONDS);
        } catch (Exception e) {
            //throw new RuntimeException(e);
            System.out.println("exception=" + e.toString());
        }
        System.out.printf("籃球和足球的總價(jià)格是： %.2f, futurePrice.get() 耗時(shí)：%s msecs %n", priceAsync + priceDirect, (System.nanoTime() - returnFutureNanoTime) / 1_000_000);

        long retrievalTime = ((System.nanoTime() - startNanoTime) / 1_000_000);
        System.out.println("總耗時(shí)：" + retrievalTime + " msecs");
    }

    private void delay() {
        try {
            //Thread.sleep( (long) (Math.random() * 1000));
            Thread.sleep( 200);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void delayLong() {
        try {
            Thread.sleep( 1500);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果為：

調(diào)用getPriceAsyc方法直接返回,耗時(shí)： 176 msecs
當(dāng)前線程去查詢足球的價(jià)格, 耗時(shí)：204 msecs
籃球和足球的總價(jià)格是： 997.99, futurePrice.get() 耗時(shí)：1502 msecs
總耗時(shí)：1681 msecs

supplyAsync方法接受一個(gè)生產(chǎn)者（Supplier）作為參數(shù)，返回一個(gè)CompletableFuture對(duì)象（在完成異步執(zhí)行后，該對(duì)象會(huì)讀取異步方法的返回值）。

異步方法會(huì)交由ForkJoinPool池中的某個(gè)執(zhí)行器（Executor）運(yùn)行，也可以使用supplyAsync方法的重載版本，傳遞第2個(gè)參數(shù)指定不同的執(zhí)行器（Executor）執(zhí)行異步方法。

一般而言，向CompletableFuture的工廠方法傳遞可選參數(shù)，指定異步方法的執(zhí)行器。

三、流順序執(zhí)行、并行、并發(fā)–異步執(zhí)行、并發(fā)–自定義異步執(zhí)行比較

對(duì)流順序執(zhí)行、并行、并發(fā)–異步執(zhí)行、并發(fā)–自定義異步執(zhí)行進(jìn)行比較，代碼如下：

package com.mvp.test;

import org.junit.Test;

import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadFactory;
import java.util.stream.Collectors;

public class CompareParallelFutureUseTest {
    List<String> shopNames = Arrays.asList("北京華聯(lián)", "華潤(rùn)", "沃爾瑪", "大潤(rùn)發(fā)", "萬(wàn)果園", "一峰");

    private double calculatePrice(String product) {
        double price = new Random().nextDouble()* 1000 + 150;
        //System.out.println("calculate Price Of " + product + "is: " + price);
        return price;
    }

    public double getPrice(String product) {
        return calculatePrice(product);
    }

    /**
     * 使用流順序計(jì)算
     * @param product 商品名稱
     * @return 列表
     */
    public List<String> findPrices(String product) {
        return shopNames.stream()
                .map(shopName -> String.format("%s 價(jià)格: %.2f", shopName, getPrice(product)))
                .collect(Collectors.toList());
    }

    /**
     * 使用流并行計(jì)算
     * @param product 商品名稱
     * @return 列表
     */
    public List<String> findPricesParallel(String product) {
        return shopNames.parallelStream()
                .map(shopName -> String.format("%s 價(jià)格： %.2f", shopName, getPrice(product)))
                .collect(Collectors.toList());
    }

    /**
     * 異步運(yùn)算
     * @param product 商品名稱
     * @return 列表
     */
    public List<String> findPricesFuture(String product) {
        List<CompletableFuture<String>> priceFutures = shopNames.stream()
                .map(shopName -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> String.format("%s 價(jià)格： %.2f", shopName, getPrice(product))))
                .collect(Collectors.toList());
        //CompletableFuture類中的join方法 和 Future接口中的get方法 有相同的含義
        return priceFutures.stream()
                .map(CompletableFuture::join)
                .collect(Collectors.toList());
    }

    //創(chuàng)建一個(gè)線程池，其線程數(shù)目為100和商店數(shù)目二者中較小的一個(gè)值
    private final Executor executor1 = Executors.newFixedThreadPool(Math.min(shopNames.size(), 10),
            new ThreadFactory() {
                public Thread newThread(Runnable r) {
                    Thread t = new Thread(r);
                    // 使用守護(hù)線程。這種方式不會(huì)阻止程序的關(guān)停。
                    t.setDaemon(true);
                    return t;
                }
        });

    /**
     * 異步運(yùn)算:使用定制的執(zhí)行器(調(diào)整線程池的大小)
     * @param product 商品名稱
     * @return 列表
     */
    public List<String> findPricesFutureCustom(String product) {
        List<CompletableFuture<String>> priceFutures = shopNames.stream()
                .map(shopName -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> String.format("%s 價(jià)格： %.2f", shopName, getPrice(product)), executor1))
                .collect(Collectors.toList());

        return priceFutures.stream()
                .map(CompletableFuture::join)
                .collect(Collectors.toList());
    }

    @Test
    public void futureCompareTest() {
        long start = System.nanoTime();
        System.out.println(findPrices("羽毛球"));
        System.out.println("使用流順序計(jì)算 Done in " + (System.nanoTime() - start) / 1_000_000 + " msecs");

        start = System.nanoTime();
        System.out.println(findPricesParallel("羽毛球"));
        System.out.println("使用流并行計(jì)算 Done in " + (System.nanoTime() - start) / 1_000_000 + " msecs");

        start = System.nanoTime();
        System.out.println(findPricesFuture("羽毛球"));
        System.out.println("并發(fā)Future異步運(yùn)算(默認(rèn)執(zhí)行器) Done in " + (System.nanoTime() - start) / 1_000_000 + " msecs");

        //并行和并發(fā)不相伯仲，究其原因都一樣：它們內(nèi)部采用的是同樣的通用線程池，默認(rèn)都使用固定數(shù)目的線程，具體線程數(shù)取決于
        // Runtime.getRuntime().availableProcessors() 的返回值。
        // 然而，CompletableFuture具有一定的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗试S你對(duì)執(zhí)行器（Executor）進(jìn)行配置，尤其是線程池的大小。
        start = System.nanoTime();
        System.out.println(findPricesFutureCustom("羽毛球"));
        System.out.println("并發(fā)Future異步運(yùn)算(定制執(zhí)行器：調(diào)整線程池的大小) Done in " + (System.nanoTime() - start) / 1_000_000 + " msecs");
    }
}

運(yùn)行結(jié)果為：

[北京華聯(lián) 價(jià)格: 552.91, 華潤(rùn) 價(jià)格: 173.53, 沃爾瑪價(jià)格: 981.30, 大潤(rùn)發(fā) 價(jià)格: 339.54, 萬(wàn)果園價(jià)格: 872.71, 一峰價(jià)格: 338.87]
使用流順序計(jì)算 Done in 148 msecs
[北京華聯(lián) 價(jià)格： 475.23, 華潤(rùn) 價(jià)格： 991.62, 沃爾瑪價(jià)格： 469.81, 大潤(rùn)發(fā) 價(jià)格： 1140.04, 萬(wàn)果園價(jià)格： 199.57, 一峰價(jià)格： 210.05]
使用流并行計(jì)算 Done in 5 msecs
[北京華聯(lián) 價(jià)格： 723.78, 華潤(rùn) 價(jià)格： 546.76, 沃爾瑪價(jià)格： 979.16, 大潤(rùn)發(fā) 價(jià)格： 402.02, 萬(wàn)果園價(jià)格： 770.86, 一峰價(jià)格： 601.99]
并發(fā)Future異步運(yùn)算(默認(rèn)執(zhí)行器) Done in 5 msecs
[北京華聯(lián) 價(jià)格： 854.24, 華潤(rùn) 價(jià)格： 1000.75, 沃爾瑪價(jià)格： 1103.58, 大潤(rùn)發(fā) 價(jià)格： 355.49, 萬(wàn)果園價(jià)格： 849.84, 一峰價(jià)格： 1051.99]
并發(fā)Future異步運(yùn)算(定制執(zhí)行器：調(diào)整線程池的大小) Done in 4 msecs

從運(yùn)行結(jié)果可以看出，流并行計(jì)算、異步運(yùn)算、自定義執(zhí)行器異步運(yùn)算的效率比流順序計(jì)算要高很多。