14 CompletableFuture 用法
从JDK 8开始，在Concurrent包中提供了一个强大的异步编程工具CompletableFuture。在JDK8之前，异步编程可以通过线程池和Future来实现，但功能还不够强大。
CompletableFuture实现了Future接口，所以它也具有Future的特性：调用get()方法会阻塞在那，直到结果返回。
另外1个线程调用complete方法完成该Future，则所有阻塞在get()方法的线程都将获得返回结果。
14.1 runAsync与supplyAsync
上面的例子是一个空的任务，下面尝试提交一个真的任务，然后等待结果返回。
例1：runAsync(Runnable)
CompletableFuture.runAsync(...)传入的是一个Runnable接口。
例2： supplyAsync(Supplier)
例2和例1的区别在于，例2的任务有返回值。没有返回值的任务，提交的是Runnable，返回的是CompletableFuture；有返回值的任务，提交的是 Supplier，返回的是CompletableFuture。Supplier和前面的Callable很相似。
通过上面两个例子可以看出，在基本的用法上，CompletableFuture和Future很相似，都可以提交两类任务：一类是无返回值的，另一类是有返回值的。
14.2 thenRun、thenAccept和thenApply
对于 Future，在提交任务之后，只能调用 get()等结果返回；但对于 CompletableFuture，可以在结果上面再加一个callback，当得到结果之后，再接着执行callback。
例1：thenRun(Runnable)
该案例最后不能获取到结果，只会得到一个null。
例2：thenAccept(Consumer)
上述代码在thenAccept中可以获取任务的执行结果，接着进行处理。
例3：thenApply(Function)
三个例子都是在任务执行完成之后，接着执行回调，只是回调的形式不同：
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thenRun后面跟的是一个无参数、无返回值的方法，即Runnable，所以最终的返回值是CompletableFuture类型。
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thenAccept后面跟的是一个有参数、无返回值的方法，称为Consumer，返回值也是CompletableFuture类型。顾名思义，只进不出，所以称为Consumer；前面的Supplier，是无参数，有返回值，只出不进，和Consumer刚好相反。
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thenApply 后面跟的是一个有参数、有返回值的方法，称为Function。返回值是CompletableFuture类型。
而参数接收的是前一个任务，即 supplyAsync(...)这个任务的返回值。因此这里只能用supplyAsync，不能用runAsync。因为runAsync没有返回值，不能为下一个链式方法传入参数。
14.3 thenCompose与thenCombine
例1：thenCompose
在上面的例子中，thenApply接收的是一个Function，但是这个Function的返回值是一个通常的基本数据类型或一个对象，而不是另外一CompletableFuture。如果 Function 的返回值也是一个CompletableFuture，就会出现嵌套的CompletableFuture。考虑下面的例子：
如果希望返回值是一个非嵌套的CompletableFuture，可以使用thenCompose：
下面是thenCompose方法的接口定义：
CompletableFuture中的实现：
从该方法的定义可以看出，它传入的参数是一个Function类型，并且Function的返回值必须是CompletionStage的子类，也就是CompletableFuture类型。
例2：thenCombine
thenCombine方法的接口定义如下，从传入的参数可以看出，它不同于thenCompose。
第1个参数是一个CompletableFuture类型，第2个参数是一个方法，并且是一个BiFunction，也就是该方法有2个输入参数，1个返回值。
从该接口的定义可以大致推测，它是要在2个 CompletableFuture 完成之后，把2个CompletableFuture的返回值传进去，再额外做一些事情。实例如下：
14.4 任意个CompletableFuture的组合
上面的thenCompose和thenCombine只能组合2个CompletableFuture，而接下来的allOf 和anyOf 可以组合任意多个CompletableFuture。方法接口定义如下所示。
首先，这两个方法都是静态方法，参数是变长的CompletableFuture的集合。其次，allOf和anyOf的区别，前者是“与”，后者是“或”。
allOf的返回值是CompletableFuture类型，这是因为每个传入的CompletableFuture的返回值都可能不同，所以组合的结果是无法用某种类型来表示的，索性返回Void类型。
anyOf 的含义是只要有任意一个 CompletableFuture 结束，就可以做接下来的事情，而无须像AllOf那样，等待所有的CompletableFuture结束。
但由于每个CompletableFuture的返回值类型都可能不同，任意一个，意味着无法判断是什么类型，所以anyOf的返回值是CompletableFuture类型。
14.5 四种任务原型
通过上面的例子可以总结出，提交给CompletableFuture执行的任务有四种类型：Runnable、Consumer、Supplier、Function。下面是这四种任务原型的对比。
runAsync 与 supplierAsync 是 CompletableFuture 的静态方法；而 thenAccept、thenAsync、thenApply是CompletableFutre的成员方法。
因为初始的时候没有CompletableFuture对象，也没有参数可传，所以提交的只能是Runnable或者Supplier，只能是静态方法；
通过静态方法生成CompletableFuture对象之后，便可以链式地提交其他任务了，这个时候就可以提交Runnable、Consumer、Function，且都是成员方法。
14.6 CompletionStage接口
CompletableFuture不仅实现了Future接口，还实现了CompletableStage接口。
CompletionStage接口定义的正是前面的各种链式方法、组合方法，如下所示。
关于CompletionStage接口，有几个关键点要说明：
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所有方法的返回值都是CompletionStage类型，也就是它自己。正因为如此，才能实现如下的链式调用：future1.thenApply(...).thenApply(...).thenCompose(...).thenRun(...)
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thenApply接收的是一个有输入参数、返回值的Function。这个Function的输入参数，必须是？Super T 类型，也就是T或者T的父类型，而T必须是调用thenApplycompletableFuture对象的类型；返回值则必须是？Extends U类型，也就是U或者U的子类型，而U恰好是thenApply的返回值的CompletionStage对应的类型。
其他方法，诸如thenCompose、thenCombine也是类似的原理。
14.7 CompletableFuture内部原理
14.7.1 CompletableFuture的构造: ForkJoinPool
CompletableFuture中任务的执行依靠ForkJoinPool：
通过上面的代码可以看到，asyncPool是一个static类型，supplierAsync、asyncSupplyStage也都是static方法。Static方法会返回一个CompletableFuture类型对象，之后就可以链式调用，CompletionStage里面的各个方法。
14.7.2 任务类型的适配
ForkJoinPool接受的任务是ForkJoinTask 类型，而我们向CompletableFuture提交的任务是Runnable/Supplier/Consumer/Function 。因此，肯定需要一个适配机制，把这四种类型的任务转换成ForkJoinTask，然后提交给ForkJoinPool，如下图所示：
为了完成这种转换，在CompletableFuture内部定义了一系列的内部类，下图是CompletableFuture的各种内部类的继承体系。
在 supplyAsync(...)方法内部，会把一个 Supplier 转换成一个 AsyncSupply，然后提交给ForkJoinPool执行；
在runAsync(...)方法内部，会把一个Runnable转换成一个AsyncRun，然后提交给ForkJoinPool执行；
在 thenRun/thenAccept/thenApply 内部，会分别把 Runnable/Consumer/Function 转换成UniRun/UniAccept/UniApply对象，然后提交给ForkJoinPool执行；
除此之外，还有两种 CompletableFuture 组合的情况，分为“与”和“或”，所以有对应的Bi和Or类型的Completion类型。
下面的代码分别为 UniRun、UniApply、UniAccept 的定义，可以看到，其内部分别封装了Runnable、Function、Consumer。
14.7.3 任务的链式执行过程分析
下面以CompletableFuture.supplyAsync(...).thenApply(...).thenRun(...)链式代码为例，分析整个执行过程。
第1步：CompletableFuture future1=CompletableFuture.supplyAsync(...)
在上面的代码中，关键是构造了一个AsyncSupply对象，该对象有三个关键点：
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它继承自ForkJoinTask，所以能够提交ForkJoinPool来执行
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它封装了Supplier f，即它所执行任务的具体内容。
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该任务的返回值，即CompletableFuture d，也被封装在里面。
ForkJoinPool执行一个ForkJoinTask类型的任务，即AsyncSupply。该任务的输入就是Supply，输出结果存放在CompletableFuture中。
第2步：CompletableFuture future2=future1.thenApply(...)
第1步的返回值，也就是上面代码中的 CompletableFuture d，紧接着调用其成员方法thenApply：
我们知道，必须等第1步的任务执行完毕，第2步的任务才可以执行。因此，这里提交的任务不可能立即执行，在此处构建了一个UniApply对象，也就是一个ForkJoinTask类型的任务，这个任务放入了第1个任务的栈当中。
每一个CompletableFuture对象内部都有一个栈，存储着是后续依赖它的任务，如下面代码所示。这个栈也就是Treiber Stack，这里的stack存储的就是栈顶指针。
上面的UniApply对象类似于第1步里面的AsyncSupply，它的构造方法传入了4个参数：
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第1个参数是执行它的ForkJoinPool；
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第2个参数是输出一个CompletableFuture对象。这个参数，也是thenApply方法的返回值，用来链式执行下一个任务；
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第3个参数是其依赖的前置任务，也就是第1步里面提交的任务；
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第4个参数是输入（也就是一个Function对象）
UniApply对象被放入了第1步的CompletableFuture的栈中，在第1步的任务执行完成之后，就会从栈中弹出并执行。如下代码：
ForkJoinPool执行上面的AsyncSupply对象的run()方法，实质就是执行Supplier的get()方法。执行结果被塞入了 CompletableFuture d 当中，也就是赋值给了 CompletableFuture 内部的Object result变量。
调用d.postComplete()，也正是在这个方法里面，把第2步压入的UniApply对象弹出来执行，代码如下所示。
第3步：CompletableFuture future3=future2.thenRun()
第3步和第2步的过程类似，构建了一个 UniRun 对象，这个对象被压入第2步的CompletableFuture所在的栈中。第2步的任务，当执行完成时，从自己的栈中弹出UniRun对象并执行。
综上所述：
通过supplyAsync/thenApply/thenRun，分别提交了3个任务，每1个任务都有1个返回值对象，也就是1个CompletableFuture。这3个任务通过2个CompletableFuture完成串联。后1个任务，被放入了前1个任务的CompletableFuture里面，前1个任务在执行完成时，会从自己的栈中，弹出下1个任务执行。如此向后传递，完成任务的链式执行。
14.7.4 thenApply与thenApplyAsync的区别
在上面的代码中，我们分析了thenApply，还有一个与之对应的方法是thenApplyAsync。这两个方法调用的是同一个方法，只不过传入的参数不同。
对于上一个任务已经得出结果的情况：
如果e != null表示是thenApplyAsync，需要调用ForkJoinPool的execute方法，该方法：
通过上面的代码可以看到：
- 如果前置任务没有完成，即a.result=null，thenApply和thenApplyAsync都会将当前任务的下一个任务入栈；然后再出栈执行；
- 只有在当前任务已经完成的情况下，thenApply才会立即执行，不会入栈，再出栈，不会交给ForkJoinPool；thenApplyAsync还是将下一个任务封装为ForkJoinTask，入栈，之后出栈再执行。
同理，thenRun与thenRunAsync、thenAccept与thenAcceptAsync的区别与此类似。
14.8 任务的网状执行：有向无环图
如果任务只是链式执行，便不需要在每个CompletableFuture里面设1个栈了，用1个指针使所有任务组成链表即可。
但实际上，任务不只是链式执行，而是网状执行，组成 1 张图。如下图所示，所有任务组成一个有向无环图：
任务一执行完成之后，任务二、任务三可以并行，在代码层面可以写为：future1.thenApply（任务二），future1.thenApply（任务三）；
任务四在任务二执行完成时可开始执行；
任务五要等待任务二、任务三都执行完成，才能开始，这里是AND关系；
任务六在任务三执行完成时可以开始执行；
对于任务七，只要任务四、任务五、任务六中任意一个任务结束，就可以开始执行。
总而言之，任务之间是多对多的关系：1个任务有n个依赖它的后继任务；1个任务也有n个它依赖的前驱任务。
这样一个有向无环图，用什么样的数据结构表达呢？AND和OR的关系又如何表达呢？
有几个关键点：
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在每个任务的返回值里面，存储了依赖它的接下来要执行的任务。所以在上图中，任务一的CompletableFuture的栈中存储了任务二、任务三；任务二的CompletableFuutre中存储了任务四、任务五；任务三的CompletableFuture中存储了任务五、任务六。即每个任务的CompletableFuture对象的栈里面，其实存储了该节点的出边对应的任务集合。
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任务二、任务三的CompletableFuture里面，都存储了任务五，那么任务五是不是会被触发两次，执行两次呢？
任务五的确会被触发二次，但它会判断任务二、任务三的结果是不是都完成，如果只完成其中一个，它就不会执行。
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任务七存在于任务四、任务五、任务六的CompletableFuture的栈里面，因此会被触发三次。但它只会执行一次，只要其中1个任务执行完成，就可以执行任务七了。
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正因为有AND和OR两种不同的关系，因此对应BiApply和OrApply两个对象，这两个对象的构造方法几乎一样，只是在内部执行的时候，一个是AND的逻辑，一个是OR的逻辑。
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BiApply和OrApply都是二元操作符，也就是说，只能传入二个被依赖的任务。但上面的任务七同时依赖于任务四、任务五、任务六，这怎么处理呢？
任何一个多元操作，都能被转换为多个二元操作的叠加。如上图所示，假如任务一AND任务二AND任务三 ==> 任务四，那么它可以被转换为右边的形式。新建了一个AND任务，这个AND任务和任务三再作为参数，构造任务四。OR的关系，与此类似。
此时，thenCombine的内部实现原理也就可以解释了。thenCombine用于任务一、任务二执行完成，再执行任务三。
14.9 allOf内部的计算图分析
下面以allOf方法为例，看一下有向无环计算图的内部运作过程：
上面的方法是一个递归方法，输入是一个CompletableFuture对象的列表，输出是一个具有AND关系的复合CompletableFuture对象。
最关键的代码如上面加注释部分所示，因为d要等a，b都执行完成之后才能执行，因此d会被分别压入a，b所在的栈中。
下图为allOf内部的运作过程。假设allof的参数传入了future1、future2、future3、future4，则对应四个原始任务。
生成BiRelay1、BiRelay2任务，分别压入future1/future2、future3/future4的栈中。无论future1或future2完成，都会触发BiRelay1；无论future3或future4完成，都会触发BiRelay2；
生成BiRelay3任务，压入future5/future6的栈中，无论future5或future6完成，都会触发BiRelay3任务。
BiRelay只是一个中转任务，它本身没有任务代码，只是参照输入的两个future是否完成。如果完成，就从自己的栈中弹出依赖它的BiRelay任务，然后执行。
