如何安全发布 CompletableFuture ？Java9新增方法分析

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JDK9 中对于CompletableFuture做了新的增强，除了超时功能（orTimeout），还有面向继承、安全发布等相关方法。本文中，我们将详细分析各个新增方法，同时说明其安全发布的重要性，最后提出相关的实践原则。

1. newIncompleteFuture

public  CompletableFuture newIncompleteFuture() {
    return new CompletableFuture();
}

这是一个面向继承的方法，Java支持方法返回值协变，子类可以返回自己的实现。如果你不需要继承 CompletableFuture，对于使用来说，这个方法没有新增新的功能。

2. 默认执行器

public Executor defaultExecutor() {
    return ASYNC_POOL;
}

子类可以指定默认执行器，不过需要注意调用不显式指定执行器的async相关方法时，其执行回调所在的线程有两种可能：当前调用线程或者子类指定的执行器线程。如果使用 CompletableFuture，推荐显式指定执行器；如果使用 CFFU，无需每次都显式指定执行器。

3. 复制方法

public CompletableFuture copy() {
    return uniCopyStage(this);
}

此方法等同于调用 cf.thenApply(x -> x), 目的是实现保护性复制，避免后续操作对于原实例的修改。

4. 只读形式与安全发布

// 返回结果仅支持 CompletionStage 操作
public CompletionStage minimalCompletionStage() {
    return uniAsMinimalStage();
}

private MinimalStage uniAsMinimalStage() {
    Object r;
  	// 性能优化1：若已有结果，当前线程下直接返回stage
    if ((r = result) != null)
        return new MinimalStage(encodeRelay(r));
  	// 性能优化2：若还未有结果，注册回调
    MinimalStage d = new MinimalStage();
    unipush(new UniRelay(d, this));
    return d;
}

// 实际实现，CompletableFuture 独有方法均不支持
static final class MinimalStage extends CompletableFuture {
        MinimalStage() { }
        MinimalStage(Object r) { super(r); }
        @Override public  CompletableFuture newIncompleteFuture() {
            return new MinimalStage(); }
        @Override public T get() {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public T get(long timeout, TimeUnit unit) {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public T getNow(T valueIfAbsent) {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public T join() {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public T resultNow() {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public Throwable exceptionNow() {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public boolean complete(T value) {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public boolean completeExceptionally(Throwable ex) {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public void obtrudeValue(T value) {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public void obtrudeException(Throwable ex) {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public boolean isDone() {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public boolean isCancelled() {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public boolean isCompletedExceptionally() {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public State state() {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public int getNumberOfDependents() {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public CompletableFuture completeAsync
            (Supplier extends T> supplier, Executor executor) {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public CompletableFuture completeAsync
            (Supplier extends T> supplier) {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public CompletableFuture orTimeout
            (long timeout, TimeUnit unit) {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
        @Override public CompletableFuture completeOnTimeout
            (T value, long timeout, TimeUnit unit) {
            throw new UnsupportedOperationException(); }
  			// 返回新的CompletableFuture, 等效于thenApply(x -> x)
        @Override public CompletableFuture toCompletableFuture() {
            Object r;
            if ((r = result) != null)
                return new CompletableFuture(encodeRelay(r));
            else {
                CompletableFuture d = new CompletableFuture();
                unipush(new UniRelay(d, this));
                return d;
            }
        }
    }

此方法返回只读的 CompletionStage，可以实现安全发布。可以类比于一个方法返回了ImmutableList，优点是可以防止后续的错误操作，比如其他线程强制写结果（类比List#add）。

有这样一个安全发布的保证至关重要，特别是面临复杂场景时，可以减轻编程负担，放心地使用 CompletableFuture 返回的结果。

我们知道CompletionStage接口定义了链式异步回调相关方法， CompletableFuture 相关读写操作（join, complete, obtrudeValue 等），不在CompletionStage的定义下，可以通过方法toCompletableFuture进行中转。

class InventoryServiceDemo {
    final Executor executor = Executors.newCachedThreadPool();

    // 获取库存信息
  	// 方法可以返回 CompletionStage，相比于CompletableFuture更安全
    CompletionStage getInventoryAsync(String productId) {
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                    try {
                        Thread.sleep(Duration.ofSeconds(2));
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    return 42;
                }, executor)
                .minimalCompletionStage();
    }
}

笔者曾在《深入理解 Future, CompletableFuture, ListenableFuture，回调机制》一文中质疑 CompletionStage#toCompletableFuture 方法破坏了接口设计的相关原则，CompletableFuture#minimalCompletionStage 不如直接使用接口。

CompletionStage#toCompletableFuture 表明 CompletableFuture 可以作为 CompletionStage 的默认实现，实现两者类型的快速转换。很多情况下，两者的区别不大。

CompletableFuture#minimalCompletionStage 底层思想是提供只读功能。

这里的实现有点取巧，minimalStage虽然继承自CompleatableFuture，而实际上只是实现了CompletionStage 接口方法。minimalStage 不应该是 CompletableFuture的示例，更好的实现方式是使用委托方式（组合）。

如果子类进行类型检查，使用 instanceOf 或者新版JDK支持的模式匹配，minimalStage 需要进行额外的处理。

CFFU 的实现对于minimalStage做了兼容处理，你可以放心使用。

5. 异步写操作

public CompletableFuture completeAsync(Supplier extends T> supplier) {
    return completeAsync(supplier, defaultExecutor());
}

public CompletableFuture completeAsync(Supplier extends T> supplier,
                                          Executor executor) {
    if (supplier == null || executor == null)
        throw new NullPointerException();
    executor.execute(new AsyncSupply(this, supplier));
    return this;
}

这两个方法很容易理解，适用于子类返回自己的实现。CompletableFuture#supplyAsync 工厂方法返回的实例是 ComplteableFuture 无法更改。子类可以自己定义自己的工厂方法；用户也可以使用这里的异步写方法。

6. CFFU的优化拓展

开源项目CFFU（功夫未来）对于CompletableFuture 进行了拓展，以下仅列举和Java9新增功能相关的拓展点：

可以在对象创建时指定执行器，后续操作无需重复指定
Java8 版本下可以使用后续版本的功能
提供了相关安全发布功能，比如安全的超时功能
内部的很多便利方法应用了保护性复制方法
CffuFactoryBuilder 支持以参数形式配置是否允许强制重写结果

7. 实践原则

异步方法可以返回 CompletionStage，其相比于CompletableFuture更为安全，同时可以提示用户不要使用阻塞相关方法
就像推荐使用不可变对象一样，推荐默认使用 CompletableFuture#minimalCompletionStage 方法
无论是对于方法入参还是返回结果，使用接口一般都优于实体类
理想的 Future 设计应该是读写分离的，不可变的。虽然 CompletableFuture 并没有完全遵循以上原则，但是我们在使用时应当注意遵循。

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