其他
CompletableFuture原理与实践-外卖商家端API的异步化
总第509篇
2022年 第026篇
0 背景
1 为何需要并行加载
2 并行加载的实现方式
2.1 同步模型
2.2 NIO异步模型
2.3 为什么会选择CompletableFuture？
3 CompletableFuture使用与原理
3.1 CompletableFuture的背景和定义
3.2 CompletableFuture的使用
3.3 CompletableFuture原理
4 实践总结
4.1 线程阻塞问题
4.2 线程池须知
4.3 其他
5 异步化收益
6 参考文献
7 名词解释及备注
8 附录
0 背景
1 为何需要并行加载
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。
2 并行加载的实现方式
2.1 同步模型
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。
2.2 NIO异步模型
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》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？
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。
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
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。
ListeningExecutorService guavaExecutor = MoreExecutors.listeningDecorator(executor);
//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<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));
3.1.2 CompletableFuture的定义
3.2 CompletableFuture的使用
3.2.1 零依赖：CompletableFuture的创建
//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");
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
//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
//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
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<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
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。
3.3.1 CompletableFuture的设计思想
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。 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。
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。 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。 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
将观察者Completion注册到CF1，此时CF1将Completion压栈。 当CF1的操作运行完成时，会将结果赋值给CF1中的result属性。 依次弹栈，通知观察者尝试运行。
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。3.3.3 小结
4 实践总结
4.1 线程阻塞问题
4.1.1 代码执行在哪个线程上？
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。
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
4.2.2 线程池循环引用会导致死锁
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();
}
4.2.3 异步RPC调用注意不要阻塞IO线程池
4.3 其他
4.3.1 异常处理
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
.exceptionally(err -> {//通过exceptionally 捕获异常，打印日志并返回默认值
log.error("WmOrderRemarkService.getCancelTypeAsync Exception orderId={}", orderId, err);
return 0;
});
}
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;
});
}
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
5 异步化收益
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
CompletableFuture (Java Platform SE 8 ) java - Does CompletionStage always wrap exceptions in CompletionException? - Stack Overflow exception - Surprising behavior of Java 8 CompletableFuture exceptionally method - Stack Overflow 文档 | Apache Dubbo
7 名词解释及备注
附录
自定义函数
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
/**
* 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
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
.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
本文作者
美团外卖商家系统，既有日千万量级订单下的稳定性挑战，又具有B端特有的业务复杂性，同时也在商家生态、商家运营、智能硬件等方向创新与探索。通过在高可用、领域驱动设计、微服务等技术方向持续实践，积累了丰富的技术经验。欢迎加入美团外卖商家组技术团队，感兴趣的同学可以将简历发送至：pingxumeng@meituan.com。
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