CompletableFuture原理与实践-外卖商家端API的异步化

迷南。 2023-09-29 14:28 15阅读 0赞

> CompletableFuture由Java 8提供，是实现异步化的工具类，上手难度较低，且功能强大，支持通过函数式编程的方式对各类操作进行组合编排。相比于ListenableFuture，CompletableFuture有效提升了代码的可读性，解决了“回调地狱”的问题。本文主要讲述CompletableFuture的原理与实践，同时结合了美团外卖商家端API的异步化实战，希望能对从事相关开发的同学有所帮助或启发。

### 0 背景 ###

随着订单量的持续上升，美团外卖各系统服务面临的压力也越来越大。作为外卖链路的核心环节，商家端提供了商家接单、配送等一系列核心功能，业务对系统吞吐量的要求也越来越高。而商家端API服务是流量入口，所有商家端流量都会由其调度、聚合，对外面向商家提供功能接口，对内调度各个下游服务获取数据进行聚合，具有鲜明的I/O密集型（I/O Bound）特点。在当前日订单规模已达千万级的情况下，使用同步加载方式的弊端逐渐显现，因此我们开始考虑将同步加载改为并行加载的可行性。

### 1 为何需要并行加载 ###

外卖商家端API服务是典型的I/O密集型（I/O Bound）服务。除此之外，美团外卖商家端交易业务还有两个比较大的特点：

*  **服务端必须一次返回订单卡片所有内容**：根据商家端和服务端的“增量同步协议注1”，服务端必须一次性返回订单的所有信息，包含订单主信息、商品、结算、配送、用户信息、骑手信息、餐损、退款、客服赔付（参照下面订单卡片截图）等，需要从下游三十多个服务中获取数据。在特定条件下，如第一次登录和长时间没登录的情况下，客户端会分页拉取多个订单，这样发起的远程调用会更多。
 *  商家端和服务端**交互频繁**：商家对订单状态变化敏感，多种推拉机制保证每次变更能够触达商家，导致App和服务端的交互频繁，每次变更需要拉取订单最新的全部内容。

在外卖交易链路如此大的流量下，为了保证商家的用户体验，保证接口的高性能，并行从下游获取数据就成为必然。

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图1 订单卡片

### 2 并行加载的实现方式 ###

并行从下游获取数据，从IO模型上来讲分为**同步模型**和**异步模型**。

#### 2.1 同步模型 ####

从各个服务获取数据最常见的是同步调用，如下图所示：

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图2 同步调用

在同步调用的场景下，接口耗时长、性能差，接口响应时长T > T1+T2+T3+……+Tn，这时为了缩短接口的响应时间，一般会使用线程池的方式并行获取数据，商家端订单卡片的组装正是使用了这种方式。

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图3 并行之线程池

这种方式由于以下两个原因，导致资源利用率比较低：

*  **CPU资源大量浪费在阻塞等待上**，导致CPU资源利用率低。在Java 8之前，一般会通过回调的方式来减少阻塞，但是大量使用回调，又引发臭名昭著的**回调地狱**问题，导致代码可读性和可维护性大大降低。
 *  **为了增加并发度，会引入更多额外的线程池**，随着CPU调度线程数的增加，会导致更严重的资源争用，宝贵的CPU资源被损耗在上下文切换上，而且线程本身也会占用系统资源，且不能无限增加。

同步模型下，会导致**硬件资源无法充分利用**，系统吞吐量容易达到瓶颈。

#### 2.2 NIO异步模型 ####

我们主要通过以下两种方式来减少线程池的调度开销和阻塞时间：

*  通过RPC NIO异步调用的方式可以降低线程数，从而降低调度（上下文切换）开销，如Dubbo的异步调用可以参考[《dubbo调用端异步》][dubbo]一文。
 *  通过引入CompletableFuture（下文简称CF）对业务流程进行编排，降低依赖之间的阻塞。本文主要讲述CompletableFuture的使用和原理。

#### 2.3 为什么会选择CompletableFuture？ ####

我们首先对业界广泛流行的解决方案做了横向调研，主要包括Future、CompletableFuture注2、RxJava、Reactor。它们的特性对比如下：

![a4c387710ddd0cc197ebc2654b24156f.png][]

*  **可组合**：可以将多个依赖操作通过不同的方式进行编排，例如CompletableFuture提供thenCompose、thenCombine等各种then开头的方法，这些方法就是对“可组合”特性的支持。
 *  **操作融合**：将数据流中使用的多个操作符以某种方式结合起来，进而降低开销（时间、内存）。
 *  **延迟执行**：操作不会立即执行，当收到明确指示时操作才会触发。例如Reactor只有当有订阅者订阅时，才会触发操作。
 *  **回压**：某些异步阶段的处理速度跟不上，直接失败会导致大量数据的丢失，对业务来说是不能接受的，这时需要反馈上游生产者降低调用量。

RxJava与Reactor显然更加强大，它们提供了更多的函数调用方式，支持更多特性，但同时也带来了更大的学习成本。而我们本次整合最需要的特性就是“异步”、“可组合”，综合考虑后，我们选择了学习成本相对较低的CompletableFuture。

### 3 CompletableFuture使用与原理 ###

#### 3.1 CompletableFuture的背景和定义 ####

3.1.1 CompletableFuture解决的问题

CompletableFuture是由Java 8引入的，在Java8之前我们一般通过Future实现异步。

*  Future用于表示异步计算的结果，只能通过阻塞或者轮询的方式获取结果，而且不支持设置回调方法，Java 8之前若要设置回调一般会使用guava的ListenableFuture，回调的引入又会导致臭名昭著的回调地狱（下面的例子会通过ListenableFuture的使用来具体进行展示）。
 *  CompletableFuture对Future进行了扩展，可以通过设置回调的方式处理计算结果，同时也支持组合操作，支持进一步的编排，同时一定程度解决了回调地狱的问题。

下面将举例来说明，我们通过ListenableFuture、CompletableFuture来实现异步的差异。假设有三个操作step1、step2、step3存在依赖关系，其中step3的执行依赖step1和step2的结果。

Future(ListenableFuture)的实现（回调地狱）如下：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
    ListeningExecutorService guavaExecutor = MoreExecutors.listeningDecorator(executor);
    ListenableFuture<String> future1 = guavaExecutor.submit(() -> {
        //step 1
        System.out.println("执行step 1");
        return "step1 result";
    });
    ListenableFuture<String> future2 = guavaExecutor.submit(() -> {
        //step 2
        System.out.println("执行step 2");
        return "step2 result";
    });
    ListenableFuture<List<String>> future1And2 = Futures.allAsList(future1, future2);
    Futures.addCallback(future1And2, new FutureCallback<List<String>>() {
        @Override
        public void onSuccess(List<String> result) {
            System.out.println(result);
            ListenableFuture<String> future3 = guavaExecutor.submit(() -> {
                System.out.println("执行step 3");
                return "step3 result";
            });
            Futures.addCallback(future3, new FutureCallback<String>() {
                @Override
                public void onSuccess(String result) {
                    System.out.println(result);
                }        
                @Override
                public void onFailure(Throwable t) {
                }
            }, guavaExecutor);
        }
    
        @Override
        public void onFailure(Throwable t) {
        }}, guavaExecutor);

CompletableFuture的实现如下：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("执行step 1");
        return "step1 result";
    }, executor);
    CompletableFuture<String> cf2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("执行step 2");
        return "step2 result";
    });
    cf1.thenCombine(cf2, (result1, result2) -> {
        System.out.println(result1 + " , " + result2);
        System.out.println("执行step 3");
        return "step3 result";
    }).thenAccept(result3 -> System.out.println(result3));

显然，CompletableFuture的实现更为简洁，可读性更好。

3.1.2 CompletableFuture的定义

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图4 CompletableFuture的定义

CompletableFuture实现了两个接口（如上图所示）：Future、CompletionStage。Future表示异步计算的结果，CompletionStage用于表示异步执行过程中的一个步骤（Stage），这个步骤可能是由另外一个CompletionStage触发的，随着当前步骤的完成，也可能会触发其他一系列CompletionStage的执行。从而我们可以根据实际业务对这些步骤进行多样化的编排组合，CompletionStage接口正是定义了这样的能力，我们可以通过其提供的thenAppy、thenCompose等函数式编程方法来组合编排这些步骤。

#### 3.2 CompletableFuture的使用 ####

下面我们通过一个例子来讲解CompletableFuture如何使用，使用CompletableFuture也是构建依赖树的过程。一个CompletableFuture的完成会触发另外一系列依赖它的CompletableFuture的执行：

![0dc6c0134152c3534e16a0ce3006a3f6.png][]

图5 请求执行流程

如上图所示，这里描绘的是一个业务接口的流程，其中包括CF1\\CF2\\CF3\\CF4\\CF5共5个步骤，并描绘了这些步骤之间的依赖关系，每个步骤可以是一次RPC调用、一次数据库操作或者是一次本地方法调用等，在使用CompletableFuture进行异步化编程时，图中的每个步骤都会产生一个CompletableFuture对象，最终结果也会用一个CompletableFuture来进行表示。

根据CompletableFuture依赖数量，可以分为以下几类：零依赖、一元依赖、二元依赖和多元依赖。

3.2.1 零依赖：CompletableFuture的创建

我们先看下如何不依赖其他CompletableFuture来创建新的CompletableFuture：

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图6 零依赖

如上图红色链路所示，接口接收到请求后，首先发起两个异步调用CF1、CF2，主要有三种方式：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
    //1、使用runAsync或supplyAsync发起异步调用
    CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
      return "result1";
    }, executor);
    //2、CompletableFuture.completedFuture()直接创建一个已完成状态的CompletableFuture
    CompletableFuture<String> cf2 = CompletableFuture.completedFuture("result2");
    //3、先初始化一个未完成的CompletableFuture，然后通过complete()、completeExceptionally()，完成该CompletableFuture
    CompletableFuture<String> cf = new CompletableFuture<>();
    cf.complete("success");

第三种方式的一个典型使用场景，就是将回调方法转为CompletableFuture，然后再依赖CompletableFure的能力进行调用编排，示例如下：

@FunctionalInterface
    public interface ThriftAsyncCall {
        void invoke() throws TException;
    }
     /**
      * 该方法为美团内部rpc注册监听的封装，可以作为其他实现的参照
      * OctoThriftCallback 为thrift回调方法
      * ThriftAsyncCall 为自定义函数，用来表示一次thrift调用（定义如上）
      */
      public static <T> CompletableFuture<T> toCompletableFuture(final OctoThriftCallback<?,T> callback , ThriftAsyncCall thriftCall) {
       //新建一个未完成的CompletableFuture
       CompletableFuture<T> resultFuture = new CompletableFuture<>();
       //监听回调的完成，并且与CompletableFuture同步状态
       callback.addObserver(new OctoObserver<T>() {
           @Override
           public void onSuccess(T t) {
               resultFuture.complete(t);
           }
           @Override
           public void onFailure(Throwable throwable) {
               resultFuture.completeExceptionally(throwable);
           }
       });
       if (thriftCall != null) {
           try {
               thriftCall.invoke();
           } catch (TException e) {
               resultFuture.completeExceptionally(e);
           }
       }
       return resultFuture;
      }

3.2.2 一元依赖：依赖一个CF

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图7 一元依赖

如上图红色链路所示，CF3，CF5分别依赖于CF1和CF2，这种对于单个CompletableFuture的依赖可以通过thenApply、thenAccept、thenCompose等方法来实现，代码如下所示：

CompletableFuture<String> cf3 = cf1.thenApply(result1 -> {
      //result1为CF1的结果
      //......
      return "result3";
    });
    CompletableFuture<String> cf5 = cf2.thenApply(result2 -> {
      //result2为CF2的结果
      //......
      return "result5";
    });

3.2.3 二元依赖：依赖两个CF

![7e1357aafb7dd4c15105d882155e8a63.png][]

图8 二元依赖

如上图红色链路所示，CF4同时依赖于两个CF1和CF2，这种二元依赖可以通过thenCombine等回调来实现，如下代码所示：

CompletableFuture<String> cf4 = cf1.thenCombine(cf2, (result1, result2) -> {
      //result1和result2分别为cf1和cf2的结果
      return "result4";
    });

3.2.4 多元依赖：依赖多个CF

![45d8b9a6f4004b45563c03b28daf92c5.png][]

图9 多元依赖

如上图红色链路所示，整个流程的结束依赖于三个步骤CF3、CF4、CF5，这种多元依赖可以通过`allOf`或`anyOf`方法来实现，区别是当需要多个依赖全部完成时使用`allOf`，当多个依赖中的任意一个完成即可时使用`anyOf`，如下代码所示：

CompletableFuture<Void> cf6 = CompletableFuture.allOf(cf3, cf4, cf5);
    CompletableFuture<String> result = cf6.thenApply(v -> {
      //这里的join并不会阻塞，因为传给thenApply的函数是在CF3、CF4、CF5全部完成时，才会执行 。
      result3 = cf3.join();
      result4 = cf4.join();
      result5 = cf5.join();
      //根据result3、result4、result5组装最终result;
      return "result";
    });

#### 3.3 CompletableFuture原理 ####

CompletableFuture中包含两个字段：**result**和**stack**。result用于存储当前CF的结果，stack（Completion）表示当前CF完成后需要触发的依赖动作（Dependency Actions），去触发依赖它的CF的计算，依赖动作可以有多个（表示有多个依赖它的CF），以栈（[Treiber stack][]）的形式存储，stack表示栈顶元素。

![2c404cfc7a002149cc80a18ac7cd6a54.png][]

图10 CF基本结构

这种方式类似“观察者模式”，依赖动作（Dependency Action）都封装在一个单独Completion子类中。下面是Completion类关系结构图。CompletableFuture中的每个方法都对应了图中的一个Completion的子类，Completion本身是**观察者**的基类。

*  UniCompletion继承了Completion，是一元依赖的基类，例如thenApply的实现类UniApply就继承自UniCompletion。
 *  BiCompletion继承了UniCompletion，是二元依赖的基类，同时也是多元依赖的基类。例如thenCombine的实现类BiRelay就继承自BiCompletion。

![bdfa3a3395eddd357b60100c51d51a53.png][]

图11 CF类图

3.3.1 CompletableFuture的设计思想

按照类似“观察者模式”的设计思想，原理分析可以从“观察者”和“被观察者”两个方面着手。由于回调种类多，但结构差异不大，所以这里单以一元依赖中的thenApply为例，不再枚举全部回调类型。如下图所示：

![592d5c36a969b8d68bd013a58cc14ee2.png][]

图12 thenApply简图

**3.3.1.1 被观察者**

1.  每个CompletableFuture都可以被看作一个被观察者，其内部有一个Completion类型的链表成员变量stack，用来存储注册到其中的所有观察者。当被观察者执行完成后会弹栈stack属性，依次通知注册到其中的观察者。上面例子中步骤fn2就是作为观察者被封装在UniApply中。
2.  被观察者CF中的result属性，用来存储返回结果数据。这里可能是一次RPC调用的返回值，也可能是任意对象，在上面的例子中对应步骤fn1的执行结果。

**3.3.1.2 观察者**

CompletableFuture支持很多回调方法，例如thenAccept、thenApply、exceptionally等，这些方法接收一个函数类型的参数f，生成一个Completion类型的对象（即观察者），并将入参函数f赋值给Completion的成员变量fn，然后检查当前CF是否已处于完成状态（即result != null），如果已完成直接触发fn，否则将观察者Completion加入到CF的观察者链stack中，再次尝试触发，如果被观察者未执行完则其执行完毕之后通知触发。

1.  观察者中的dep属性：指向其对应的CompletableFuture，在上面的例子中dep指向CF2。
2.  观察者中的src属性：指向其依赖的CompletableFuture，在上面的例子中src指向CF1。
3.  观察者Completion中的fn属性：用来存储具体的等待被回调的函数。这里需要注意的是不同的回调方法（thenAccept、thenApply、exceptionally等）接收的函数类型也不同，即fn的类型有很多种，在上面的例子中fn指向fn2。

3.3.2 整体流程

**3.3.2.1 一元依赖**

这里仍然以thenApply为例来说明一元依赖的流程：

1.  将观察者Completion注册到CF1，此时CF1将Completion压栈。
2.  当CF1的操作运行完成时，会将结果赋值给CF1中的result属性。
3.  依次弹栈，通知观察者尝试运行。

![35ad1eda663d8210d9e085784f2bdaf9.gif][]

图13 执行流程简要说明

初步流程设计如上图所示，这里有几个关于注册与通知的并发问题，大家可以思考下：

**Q1**：在观察者注册之前，如果CF已经执行完成，并且已经发出通知，那么这时观察者由于错过了通知是不是将永远不会被触发呢 ？

**A1**：不会。在注册时检查依赖的CF是否已经完成。如果未完成（即result == null）则将观察者入栈，如果已完成（result != null）则直接触发观察者操作。

**Q2**：在”入栈“前会有”result == null“的判断，这两个操作为非原子操作，CompletableFufure的实现也没有对两个操作进行加锁，完成时间在这两个操作之间，观察者仍然得不到通知，是不是仍然无法触发？

![8ba4fa08a4dd3ad3a7c58742fdee3afb.png][]图14 入栈校验

**A2**：不会。入栈之后再次检查CF是否完成，如果完成则触发。

**Q3**：当依赖多个CF时，观察者会被压入所有依赖的CF的栈中，每个CF完成的时候都会进行，那么会不会导致一个操作被多次执行呢 ？如下图所示，即当CF1、CF2同时完成时，如何避免CF3被多次触发。

![7f8865eddae357b4bcad9fe7f9c86ad3.png][]图15 多次触发

**A3**：CompletableFuture的实现是这样解决该问题的：观察者在执行之前会先通过CAS操作设置一个状态位，将status由0改为1。如果观察者已经执行过了，那么CAS操作将会失败，取消执行。

通过对以上3个问题的分析可以看出，CompletableFuture在处理并行问题时，全程无加锁操作，极大地提高了程序的执行效率。我们将并行问题考虑纳入之后，可以得到完善的整体流程图如下所示：

![2e39990a44b1c287134d8dbcaad460fa.gif][]

图16 完整流程

CompletableFuture支持的回调方法十分丰富，但是正如上一章节的整体流程图所述，他们的整体流程是一致的。所有回调复用同一套流程架构，不同的回调监听通过**策略模式**实现差异化。

**3.3.2.2 二元依赖**

我们以thenCombine为例来说明二元依赖：

![f75cfa0f98102fba622f95fad09a6a54.png][]

图17 二元依赖数据结构

thenCombine操作表示依赖两个CompletableFuture。其观察者实现类为BiApply，如上图所示，BiApply通过src和snd两个属性关联被依赖的两个CF，fn属性的类型为BiFunction。与单个依赖不同的是，在依赖的CF未完成的情况下，thenCombine会尝试将BiApply压入这两个被依赖的CF的栈中，每个被依赖的CF完成时都会尝试触发观察者BiApply，BiApply会检查两个依赖是否都完成，如果完成则开始执行。这里为了解决重复触发的问题，同样用的是上一章节提到的CAS操作，执行时会先通过CAS设置状态位，避免重复触发。

**3.3.2.3 多元依赖**

依赖多个CompletableFuture的回调方法包括`allOf`、`anyOf`，区别在于`allOf`观察者实现类为BiRelay，需要所有被依赖的CF完成后才会执行回调；而`anyOf`观察者实现类为OrRelay，任意一个被依赖的CF完成后就会触发。二者的实现方式都是将多个被依赖的CF构建成一棵平衡二叉树，执行结果层层通知，直到根节点，触发回调监听。

![d824295ef1bae934408e1e8a4d7ab05a.png][]

图18 多元依赖结构树

3.3.3 小结

本章节为CompletableFuture实现原理的科普，旨在尝试不粘贴源码，而通过结构图、流程图以及搭配文字描述把CompletableFuture的实现原理讲述清楚。把晦涩的源码翻译为“整体流程”章节的流程图，并且将并发处理的逻辑融入，便于大家理解。

### 4 实践总结 ###

在商家端API异步化的过程中，我们遇到了一些问题，这些问题有的会比较隐蔽，下面把这些问题的处理经验整理出来。希望能帮助到更多的同学，大家可以少踩一些坑。

#### 4.1 线程阻塞问题 ####

4.1.1 代码执行在哪个线程上？

要合理治理线程资源，最基本的前提条件就是要在写代码时，清楚地知道每一行代码都将执行在哪个线程上。下面我们看一下CompletableFuture的执行线程情况。

CompletableFuture实现了CompletionStage接口，通过丰富的回调方法，支持各种组合操作，每种组合场景都有同步和异步两种方法。

同步方法（即不带Async后缀的方法）有两种情况。

*  如果注册时被依赖的操作已经执行完成，则直接由当前线程执行。
 *  如果注册时被依赖的操作还未执行完，则由回调线程执行。

异步方法（即带Async后缀的方法）：可以选择是否传递线程池参数Executor运行在指定线程池中；当不传递Executor时，会使用ForkJoinPool中的共用线程池CommonPool（CommonPool的大小是CPU核数-1，如果是IO密集的应用，线程数可能成为瓶颈）。

例如：

ExecutorService threadPool1 = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100));
    CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        System.out.println("supplyAsync 执行线程：" + Thread.currentThread().getName());
        //业务操作
        return "";
    }, threadPool1);
    //此时，如果future1中的业务操作已经执行完毕并返回，则该thenApply直接由当前main线程执行；否则，将会由执行以上业务操作的threadPool1中的线程执行。
    future1.thenApply(value -> {
        System.out.println("thenApply 执行线程：" + Thread.currentThread().getName());
        return value + "1";
    });
    //使用ForkJoinPool中的共用线程池CommonPool
    future1.thenApplyAsync(value -> {
    //do something
      return value + "1";
    });
    //使用指定线程池
    future1.thenApplyAsync(value -> {
    //do something
      return value + "1";
    }, threadPool1);

#### 4.2 线程池须知 ####

4.2.1 异步回调要传线程池

前面提到，异步回调方法可以选择是否传递线程池参数Executor，这里我们建议**强制传线程池，且根据实际情况做线程池隔离**。

当不传递线程池时，会使用ForkJoinPool中的公共线程池CommonPool，这里所有调用将共用该线程池，核心线程数=处理器数量-1（单核核心线程数为1），所有异步回调都会共用该CommonPool，核心与非核心业务都竞争同一个池中的线程，很容易成为系统瓶颈。手动传递线程池参数可以更方便的调节参数，并且可以给不同的业务分配不同的线程池，以求资源隔离，减少不同业务之间的相互干扰。

4.2.2 线程池循环引用会导致死锁

public Object doGet() {
      ExecutorService threadPool1 = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100));
      CompletableFuture cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
      //do sth
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("child");
            return "child";
          }, threadPool1).join();//子任务
        }, threadPool1);
      return cf1.join();
    }

如上代码块所示，doGet方法第三行通过supplyAsync向threadPool1请求线程，并且内部子任务又向threadPool1请求线程。threadPool1大小为10，当同一时刻有10个请求到达，则threadPool1被打满，子任务请求线程时进入阻塞队列排队，但是父任务的完成又依赖于子任务，这时由于子任务得不到线程，父任务无法完成。主线程执行cf1.join()进入阻塞状态，并且永远无法恢复。

为了修复该问题，需要将父任务与子任务做线程池隔离，两个任务请求不同的线程池，避免循环依赖导致的阻塞。

4.2.3 异步RPC调用注意不要阻塞IO线程池

服务异步化后很多步骤都会依赖于异步RPC调用的结果，这时需要特别注意一点，如果是使用基于NIO（比如Netty）的异步RPC，则返回结果是由IO线程负责设置的，即回调方法由IO线程触发，CompletableFuture同步回调（如thenApply、thenAccept等无Async后缀的方法）如果依赖的异步RPC调用的返回结果，那么这些同步回调将运行在IO线程上，而整个服务只有一个IO线程池，这时需要保证同步回调中不能有阻塞等耗时过长的逻辑，否则在这些逻辑执行完成前，IO线程将一直被占用，影响整个服务的响应。

#### 4.3 其他 ####

4.3.1 异常处理

由于异步执行的任务在其他线程上执行，而异常信息存储在线程栈中，因此当前线程除非阻塞等待返回结果，否则无法通过try\\catch捕获异常。CompletableFuture提供了异常捕获回调exceptionally，相当于同步调用中的try\\catch。使用方法如下所示：

有一点需要注意，CompletableFuture在回调方法中对异常进行了包装。大部分异常会封装成CompletionException后抛出，真正的异常存储在cause属性中，因此如果调用链中经过了回调方法处理那么就需要用Throwable.getCause()方法提取真正的异常。但是，有些情况下会直接返回真正的异常（[Stack Overflow的讨论][Stack Overflow]），最好使用工具类提取异常，如下代码所示：

@Autowired
    private WmOrderAdditionInfoThriftService wmOrderAdditionInfoThriftService;//内部接口
    public CompletableFuture<Integer> getCancelTypeAsync(long orderId) {
        CompletableFuture<WmOrderOpRemarkResult> remarkResultFuture = wmOrderAdditionInfoThriftService.findOrderCancelledRemarkByOrderIdAsync(orderId);//业务方法，内部会发起异步rpc调用
        return remarkResultFuture
              .thenApply(result -> {//这里增加了一个回调方法thenApply，如果发生异常thenApply内部会通过new CompletionException(throwable) 对异常进行包装
          //这里是一些业务操作
            })
          .exceptionally(err -> {//通过exceptionally 捕获异常，这里的err已经被thenApply包装过，因此需要通过Throwable.getCause()提取异常
             log.error("WmOrderRemarkService.getCancelTypeAsync Exception orderId={}", orderId, ExceptionUtils.extractRealException(err));
             return 0;
          });
    }

上面代码中用到了一个自定义的工具类ExceptionUtils，用于CompletableFuture的异常提取，在使用CompletableFuture做异步编程时，可以直接使用该工具类处理异常。实现代码如下：

public class ExceptionUtils {
        public static Throwable extractRealException(Throwable throwable) {
              //这里判断异常类型是否为CompletionException、ExecutionException，如果是则进行提取，否则直接返回。
            if (throwable instanceof CompletionException || throwable instanceof ExecutionException) {
                if (throwable.getCause() != null) {
                    return throwable.getCause();
                }
            }
            return throwable;
        }
    }

4.3.2 沉淀的工具方法介绍

在实践过程中我们沉淀了一些通用的工具方法，在使用CompletableFuture开发时可以直接拿来使用，详情参见“附录”。

### 5 异步化收益 ###

通过异步化改造，美团商家端API系统的性能得到明显提升，与改造前对比的收益如下：

*  核心接口吞吐量大幅提升，其中订单轮询接口改造前TP99为754ms，改造后降为408ms。
 *  服务器数量减少1/3。

### 6 参考文献 ###

1.  [CompletableFuture (Java Platform SE 8 )][CompletableFuture _Java Platform SE 8]
2.  [java - Does CompletionStage always wrap exceptions in CompletionException? - Stack Overflow][Stack Overflow]
3.  [exception - Surprising behavior of Java 8 CompletableFuture exceptionally method - Stack Overflow][]
4.  [文档 | Apache Dubbo][_ Apache Dubbo]

### 7 名词解释及备注 ###

**注1**：“增量同步”是指商家客户端与服务端之间的订单增量数据同步协议，客户端使用该协议获取新增订单以及状态发生变化的订单。

**注2**：本文涉及到的所有技术点依赖的Java版本为JDK 8，CompletableFuture支持的特性分析也是基于该版本。

### 附录 ###

#### 自定义函数 ####

@FunctionalInterface
    public interface ThriftAsyncCall {
        void invoke() throws TException ;
    }

#### CompletableFuture处理工具类 ####

/**
     * CompletableFuture封装工具类
     */
    @Slf4j
    public class FutureUtils {
    /**
     * 该方法为美团内部rpc注册监听的封装，可以作为其他实现的参照
     * OctoThriftCallback 为thrift回调方法
     * ThriftAsyncCall 为自定义函数，用来表示一次thrift调用（定义如上）
     */
    public static <T> CompletableFuture<T> toCompletableFuture(final OctoThriftCallback<?,T> callback , ThriftAsyncCall thriftCall) {
        CompletableFuture<T> thriftResultFuture = new CompletableFuture<>();
        callback.addObserver(new OctoObserver<T>() {
            @Override
            public void onSuccess(T t) {
                thriftResultFuture.complete(t);
            }
            @Override
            public void onFailure(Throwable throwable) {
                thriftResultFuture.completeExceptionally(throwable);
            }
        });
        if (thriftCall != null) {
            try {
                thriftCall.invoke();
            } catch (TException e) {
                thriftResultFuture.completeExceptionally(e);
            }
        }
        return thriftResultFuture;
    }
      /**
       * 设置CF状态为失败
       */
      public static <T> CompletableFuture<T> failed(Throwable ex) {
       CompletableFuture<T> completableFuture = new CompletableFuture<>();
       completableFuture.completeExceptionally(ex);
       return completableFuture;
      }
      /**
       * 设置CF状态为成功
       */
      public static <T> CompletableFuture<T> success(T result) {
       CompletableFuture<T> completableFuture = new CompletableFuture<>();
       completableFuture.complete(result);
       return completableFuture;
      }
      /**
       * 将List<CompletableFuture<T>> 转为 CompletableFuture<List<T>>
       */
      public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequence(Collection<CompletableFuture<T>> completableFutures) {
       return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
               .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                       .map(CompletableFuture::join)
                       .collect(Collectors.toList())
               );
      }
      /**
       * 将List<CompletableFuture<List<T>>> 转为 CompletableFuture<List<T>>
       * 多用于分页查询的场景
       */
      public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequenceList(Collection<CompletableFuture<List<T>>> completableFutures) {
       return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
               .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                       .flatMap( listFuture -> listFuture.join().stream())
                       .collect(Collectors.toList())
               );
      }
      /*
       * 将List<CompletableFuture<Map<K, V>>> 转为 CompletableFuture<Map<K, V>>
       * @Param mergeFunction 自定义key冲突时的merge策略
       */
      public static <K, V> CompletableFuture<Map<K, V>> sequenceMap(
           Collection<CompletableFuture<Map<K, V>>> completableFutures, BinaryOperator<V> mergeFunction) {
       return CompletableFuture
               .allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
               .thenApply(v -> completableFutures.stream().map(CompletableFuture::join)
                       .flatMap(map -> map.entrySet().stream())
                       .collect(Collectors.toMap(Entry::getKey, Entry::getValue, mergeFunction)));
      }
      /**
       * 将List<CompletableFuture<T>> 转为 CompletableFuture<List<T>>，并过滤调null值
       */
      public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequenceNonNull(Collection<CompletableFuture<T>> completableFutures) {
       return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
               .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                       .map(CompletableFuture::join)
                       .filter(e -> e != null)
                       .collect(Collectors.toList())
               );
      }
      /**
       * 将List<CompletableFuture<List<T>>> 转为 CompletableFuture<List<T>>，并过滤调null值
       * 多用于分页查询的场景
       */
      public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequenceListNonNull(Collection<CompletableFuture<List<T>>> completableFutures) {
       return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
               .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                       .flatMap( listFuture -> listFuture.join().stream().filter(e -> e != null))
                       .collect(Collectors.toList())
               );
      }
      /**
       * 将List<CompletableFuture<Map<K, V>>> 转为 CompletableFuture<Map<K, V>>
       * @Param filterFunction 自定义过滤策略
       */
      public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequence(Collection<CompletableFuture<T>> completableFutures,
                                                         Predicate<? super T> filterFunction) {
       return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
               .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                       .map(CompletableFuture::join)
                       .filter(filterFunction)
                       .collect(Collectors.toList())
               );
      }
      /**
       * 将List<CompletableFuture<List<T>>> 转为 CompletableFuture<List<T>>
       * @Param filterFunction 自定义过滤策略
       */
      public static <T> CompletableFuture<List<T>> sequenceList(Collection<CompletableFuture<List<T>>> completableFutures,
                                                             Predicate<? super T> filterFunction) {
       return CompletableFuture.allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
               .thenApply(v -> completableFutures.stream()
                       .flatMap( listFuture -> listFuture.join().stream().filter(filterFunction))
                       .collect(Collectors.toList())
               );
      }
    /**
     * 将CompletableFuture<Map<K,V>>的list转为 CompletableFuture<Map<K,V>>。 多个map合并为一个map。 如果key冲突，采用新的value覆盖。
     */
      public static <K, V> CompletableFuture<Map<K, V>> sequenceMap(
           Collection<CompletableFuture<Map<K, V>>> completableFutures) {
       return CompletableFuture
               .allOf(completableFutures.toArray(new CompletableFuture<?>[0]))
               .thenApply(v -> completableFutures.stream().map(CompletableFuture::join)
                       .flatMap(map -> map.entrySet().stream())
                       .collect(Collectors.toMap(Entry::getKey, Entry::getValue, (a, b) -> b)));
      }}

#### 异常提取工具类 ####

public class ExceptionUtils {
       /**
        * 提取真正的异常
        */
       public static Throwable extractRealException(Throwable throwable) {
           if (throwable instanceof CompletionException || throwable instanceof ExecutionException) {
               if (throwable.getCause() != null) {
                   return throwable.getCause();
               }
           }
           return throwable;
       }
      }

#### 打印日志 ####

@Slf4j
      public abstract class AbstractLogAction<R> {
      protected final String methodName;
      protected final Object[] args;
    public AbstractLogAction(String methodName, Object... args) {
        this.methodName = methodName;
        this.args = args;
    }
    protected void logResult(R result, Throwable throwable) {
        if (throwable != null) {
            boolean isBusinessError = throwable instanceof TBase || (throwable.getCause() != null && throwable
                    .getCause() instanceof TBase);
            if (isBusinessError) {
                logBusinessError(throwable);
            } else if (throwable instanceof DegradeException || throwable instanceof DegradeRuntimeException) {//这里为内部rpc框架抛出的异常，使用时可以酌情修改
                if (RhinoSwitch.getBoolean("isPrintDegradeLog", false)) {
                    log.error("{} degrade exception, param:{} , error:{}", methodName, args, throwable);
                }
            } else {
                log.error("{} unknown error, param:{} , error:{}", methodName, args, ExceptionUtils.extractRealException(throwable));
            }
        } else {
            if (isLogResult()) {
                log.info("{} param:{} , result:{}", methodName, args, result);
            } else {
                log.info("{} param:{}", methodName, args);
            }
        }
    }
    private void logBusinessError(Throwable throwable) {
        log.error("{} business error, param:{} , error:{}", methodName, args, throwable.toString(), ExceptionUtils.extractRealException(throwable));
    }
    private boolean isLogResult() {
          //这里是动态配置开关，用于动态控制日志打印，开源动态配置中心可以使用nacos、apollo等，如果项目没有使用配置中心则可以删除
        return RhinoSwitch.getBoolean(methodName + "_isLogResult", false);
    }}

#### 日志处理实现类 ####

/**
     * 发生异常时，根据是否为业务异常打印日志。
     * 跟CompletableFuture.whenComplete配合使用，不改变completableFuture的结果（正常OR异常）
     */
    @Slf4j
    public class LogErrorAction<R> extends AbstractLogAction<R> implements BiConsumer<R, Throwable> {
    public LogErrorAction(String methodName, Object... args) {
        super(methodName, args);
    }
    @Override
    public void accept(R result, Throwable throwable) {
        logResult(result, throwable);
    }
    }

#### 打印日志方式 ####

completableFuture
    .whenComplete(
      new LogErrorAction<>("orderService.getOrder", params));

#### 异常情况返回默认值 ####

/**
     * 当发生异常时返回自定义的值
     */
    public class DefaultValueHandle<R> extends AbstractLogAction<R> implements BiFunction<R, Throwable, R> {
        private final R defaultValue;
    /**
     * 当返回值为空的时候是否替换为默认值
     */
    private final boolean isNullToDefault;
    /**
     * @param methodName      方法名称
     * @param defaultValue 当异常发生时自定义返回的默认值
     * @param args            方法入参
     */
      public DefaultValueHandle(String methodName, R defaultValue, Object... args) {
       super(methodName, args);
       this.defaultValue = defaultValue;
       this.isNullToDefault = false;
      }
    /**
     * @param isNullToDefault
     * @param defaultValue 当异常发生时自定义返回的默认值
     * @param methodName      方法名称
     * @param args            方法入参
     */
      public DefaultValueHandle(boolean isNullToDefault, R defaultValue, String methodName, Object... args) {
       super(methodName, args);
       this.defaultValue = defaultValue;
       this.isNullToDefault = isNullToDefault;
      }
    @Override
    public R apply(R result, Throwable throwable) {
        logResult(result, throwable);
        if (throwable != null) {
            return defaultValue;
        }
        if (result == null && isNullToDefault) {
            return defaultValue;
        }
        return result;
    }
    public static <R> DefaultValueHandle.DefaultValueHandleBuilder<R> builder() {
        return new DefaultValueHandle.DefaultValueHandleBuilder<>();
    }
    public static class DefaultValueHandleBuilder<R> {
        private boolean isNullToDefault;
        private R defaultValue;
        private String methodName;
        private Object[] args;
        DefaultValueHandleBuilder() {
        }
        public DefaultValueHandle.DefaultValueHandleBuilder<R> isNullToDefault(final boolean isNullToDefault) {
            this.isNullToDefault = isNullToDefault;
            return this;
        }
        public DefaultValueHandle.DefaultValueHandleBuilder<R> defaultValue(final R defaultValue) {
            this.defaultValue = defaultValue;
            return this;
        }
        public DefaultValueHandle.DefaultValueHandleBuilder<R> methodName(final String methodName) {
            this.methodName = methodName;
            return this;
        }
        public DefaultValueHandle.DefaultValueHandleBuilder<R> args(final Object... args) {
            this.args = args;
            return this;
        }
        public DefaultValueHandle<R> build() {
            return new DefaultValueHandle<R>(this.isNullToDefault, this.defaultValue, this.methodName, this.args);
        }
        public String toString() {
            return "DefaultValueHandle.DefaultValueHandleBuilder(isNullToDefault=" + this.isNullToDefault + ", defaultValue=" + this.defaultValue + ", methodName=" + this.methodName + ", args=" + Arrays.deepToString(this.args) + ")";
        }
    }

#### 默认返回值应用示例 ####

completableFuture.handle(new DefaultValueHandle<>("orderService.getOrder", Collections.emptyMap(), params));

### 本文作者 ###

长发、旭孟、向鹏，均来自美团外卖商家组技术团队。

\---------- END ----------

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[dubbo]: https://dubbo.apache.org/zh/docs/v3.0/references/features/async-call/
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[Treiber stack]: https://en.wikipedia.org/wiki/Treiber_stack
[2c404cfc7a002149cc80a18ac7cd6a54.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/2c404cfc7a002149cc80a18ac7cd6a54.png
[bdfa3a3395eddd357b60100c51d51a53.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/bdfa3a3395eddd357b60100c51d51a53.png
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[d824295ef1bae934408e1e8a4d7ab05a.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/d824295ef1bae934408e1e8a4d7ab05a.png
[Stack Overflow]: https://stackoverflow.com/questions/49230980/does-completionstage-always-wrap-exceptions-in-completionexception
[CompletableFuture _Java Platform SE 8]: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/CompletableFuture.html
[exception - Surprising behavior of Java 8 CompletableFuture exceptionally method - Stack Overflow]: https://stackoverflow.com/questions/27430255/surprising-behavior-of-java-8-completablefuture-exceptionally-method
[_ Apache Dubbo]: https://dubbo.apache.org/zh/docs/
[Link 1]: https://t.1yb.co/jo7v