【CompletableFuture】从原理到生产实践

一、CompletableFuture 核心原理

底层原理：内部维护状态机(三种终态：Completed任务成功完成并包含结果、Cancelled任务被显式取消、Exceptionally任务执行过程中抛出异常)、CAS操作、ForkJoinPool任务调度，并通过Completion对象链式管理依赖对象。状态字段使用位运算，通过volatile保证可见性，status字段标识任务状态。

核心功能包括：支持异步链式调用（如 thenApply、thenAccept），将多个异步操作串联；提供 thenCombine、allOf、anyOf 等组合方法，合并多个 CompletableFuture 的结果；通过 exceptionally 或 handle 捕获并处理异常；支持手动完成（complete）或异常终止（completeExceptionally）任务。

1.1 状态机设计

Incomplete

Completed：

complete()

Cancelled：

cancel()

Exceptionally：

completeExceptionally()

CompletableFuture 内部维护一个状态机，包含三种终态：

• Completed：任务成功完成并包含结果
• Cancelled：任务被显式取消
• Exceptionally：任务执行过程中抛出异常

1.2 依赖链存储机制

当多个操作链式组合时，CompletableFuture 使用栈结构存储依赖关系：

future.thenApply(func1)
      .thenApply(func2)
      .thenAccept(consumer);

执行流程：

1. 原始任务完成时触发栈顶操作
2. 每个操作执行后生成新阶段
3. 新阶段完成后触发下一依赖
4. 异常沿调用链传播直到被捕获

二、核心操作全解

2.1 任务创建

无返回值任务：

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
    System.out.println("后台任务执行中...");
    // 模拟耗时操作
    Thread.sleep(1000); 
});

有返回值任务：

CompletableFuture<String> dataFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return fetchDataFromRemote(); // 返回数据
});

2.2 结果转换

同步转换 (thenApply)：

dataFuture.thenApply(rawData -> {
    // 在当前线程立即执行转换
    return parseData(rawData); 
});

异步转换 (thenApplyAsync)：

CompletableFuture<Report> reportFuture = dataFuture.thenApplyAsync(rawData -> {
    // 在独立线程执行耗时转换
    return generateReport(rawData); 
}, reportThreadPool);

2.3 任务组合

链式组合 (thenCompose)：

CompletableFuture<User> userFuture = getUserProfile()
    .thenCompose(pro