小议CompletableFuture 链式执行和响应式编程

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背景

昨晚和一个朋友讨论了他在开发过程中遇到的一个场景设计问题。这个场景可以简化为：服务接收到一个需要处理的任务请求，然后立即返回。这个任务需要经过四个处理器的处理，每个处理器的处理都依赖于前一个处理器的处理结果。

这个场景与我最近处理 GitLab WebHook 的工作流程非常相似。例如，我从 GitLab 接收到一个事件后，需要对数据进行清洗、解析、调用 AI 大模型和发布评论等操作，每个操作都依赖于前一个操作的结果。

对于这种场景的设计，我目前采用的是基于链式设计的方法。我定义了一个抽象的处理器类和链式工厂：

/**
 * @author dongguabai
 * @date 2024-01-09 13:52
 */
public abstract class MergeRequestHandler {

    private MergeRequestHandler next;

    public MergeRequestHandler(MergeRequestHandler next) {
        this.next = next;
    }

    public void handle(Task task) {
        if (run(task) && next != null) {
            next.handle(task);
        }
    }

    public abstract boolean run(Task task);
}

/**
 * @author dongguabai
 * @date 2024-01-09 15:53
 */
@NoArgsConstructor(access = AccessLevel.PRIVATE)
public final class MergeRequestHandlerFactory {

    public static MergeRequestHandler createHandlerChain() {
        return new ActionHandler(new MergeRequestRetrievalHandler(new CommentHandler(new FinalHandler())));
    }
}

在链式工厂里面指定了执行顺序。

当然，也可以参考 ZooKeeper 的实现：org.apache.zookeeper.server.quorum.LeaderZooKeeperServer#setupRequestProcessors：

@Override
    protected void setupRequestProcessors() {
        RequestProcessor finalProcessor = new FinalRequestProcessor(this);
        RequestProcessor toBeAppliedProcessor = new Leader.ToBeAppliedRequestProcessor(
                finalProcessor, getLeader().toBeApplied);
        commitProcessor = new CommitProcessor(toBeAppliedProcessor,
                Long.toString(getServerId()), false);
        commitProcessor.start();
        ProposalRequestProcessor proposalProcessor = new ProposalRequestProcessor(this,
                commitProcessor);
        proposalProcessor.initialize();
        firstProcessor = new PrepRequestProcessor(this, proposalProcessor);
        ((PrepRequestProcessor)firstProcessor).start();
    }

然后，朋友提出要将其改为异步处理。实际上，异步处理也是可以很简单实现的，只需在执行 HandlerChain 时将其放入线程池中即可。但在这里，我完全可以使用 CompletableFuture 来实现，这也是我当前代码改造的主要方向。

关于CompletableFuture的实现，我设计了两套方案。现在来看一下最终实现的方案。

抽象 Processor：

@Log4j
abstract class Processor {

    public CompletableFuture<Task> process(Task task, Executor executor) {
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> doProcess(task), executor);
    }

    protected abstract Task doProcess(Task task);
}

实现类：

@Log4j
class Processor1 extends Processor {
    @Override
    protected Task doProcess(Task task) {
        // 你的处理逻辑
        log.info("Processor1 is processing");
        ProcessorChain.sleep(1);
        log.info("Processor1 end");
        if (task.isCancelled()) {
            throw new CancellationException("Task was cancelled");
        }
        return task;
    }
}
@Log4j
class Processor2 extends Processor {
    @Override
    protected Task doProcess(Task task) {
        // 你的处理逻辑
        log.info("Processor2 is processing");
        ProcessorChain.sleep(2);
        log.info("Processor2 end");
        if (task.isCancelled()) {
            throw new CancellationException("Task was cancelled");
        }
        return task;
    }
}

核心的处理链：

@Log4j
class ProcessorChain {
    private final List<Processor> processors;

    public ProcessorChain(List<Processor> processors) {
        this.processors = processors;
    }

    public CompletableFuture<Void> process(Task task, Executor executor) {
        CompletableFuture<Task> future = CompletableFuture.completedFuture(task);
        for (Processor processor : processors) {
            future = future.thenComposeAsync(t -> processor.process(t, executor), executor);
        }
        return future.thenAccept(result ->log.info("处理完成，结果是：" + result));
    }

    public static void sleep(Integer i){
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(i);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

测试代码：

    public static void main(String[] args) {
        Executor executor = Executors.newCachedThreadPool();
        ProcessorChain processorChain = new ProcessorChain(Arrays.asList(new Processor1(), new Processor2(), new Processor3(), new Processor4()));
        Task task = new Task("1");
        CompletableFuture<Void> exceptionally = processorChain.process(task, executor).exceptionally(ex -> {
            System.out.println("处理过程中出现错误：" + ex.getMessage());
            return null;
        });
        log.info("处理完成");
    }

输出：

22:38:35.276 [main] INFO demo.sb1.ProcessorChainTest - 处理完成
22:38:35.276 [pool-1-thread-2] INFO demo.sb1.Processor1 - Processor1 is processing
22:38:36.285 [pool-1-thread-2] INFO demo.sb1.Processor1 - Processor1 end
22:38:36.285 [pool-1-thread-3] INFO demo.sb1.Processor2 - Processor2 is processing
22:38:38.290 [pool-1-thread-3] INFO demo.sb1.Processor2 - Processor2 end
22:38:38.290 [pool-1-thread-3] INFO demo.sb1.Processor3 - Processor3 is processing
22:38:41.294 [pool-1-thread-3] INFO demo.sb1.Processor3 - Processor3 end
22:38:41.294 [pool-1-thread-3] INFO demo.sb1.Processor4 - Processor4 is processing
22:38:45.299 [pool-1-thread-3] INFO demo.sb1.Processor4 - Processor4 end
22:38:45.299 [pool-1-thread-3] INFO demo.sb1.ProcessorChain - 处理完成，结果是：demo.sb1.Task@6dfb9646

效果挺符合诉求的，但这里也有几个疑问。

ProcessorChain#process中的执行顺序问题

先看 ProcessorChain#proccess：

    public CompletableFuture<Void> process(Task task, Executor executor) {
        CompletableFuture<Task> future = CompletableFuture.completedFuture(task);
        for (Processor processor : processors) {
            future = future.thenComposeAsync(t -> processor.process(t, executor), executor);
        }
        return future.thenAccept(result -> System.out.println("处理完成，结果是：" + result));
    }

朋友原话是：“他期望的执行顺序是 process1、process2、process3。但由于 thenComposeAsync是异步执行的，那么在循环到 process2 时，它会异步执行。此时，循环可能已经到了 process3，并开始执行 thenComposeAsync。这样，process3和process2可能会并行执行，这跟期望结果不一致”。

其实这里是不会的，thenComposeAsync 可以翻译为 “然后异步组合”。

这里的 “组合” 指的是将当前的 CompletableFuture 与另一个 CompletableFuture 进行组合。“异步” 指的是这里的 Function 操作会在一个单独的线程中执行，不会阻塞当前的线程。

我这里的 Processor#process 函数返回的是 CompletableFuture，所以这里 thenComposeAsync 的流程是：等待当前的 CompletableFuture 完成后，异步执行 Function， Function 会返回一个新的 CompletableFuture，然后 thenComposeAsync 会返回这个 CompletableFuture。

这里要注意 thenApplyAsync 和 thenComposeAsync 不要混淆了。

ProcessorChain#process中的阻塞与非阻塞、同步和异步问题

上文已经说明了 ProcessorChain#process 中的执行顺序问题。接下来看一下这段代码中的阻塞与非阻塞、同步和异步问题。

为了查看方便，我这里再贴一下测试代码和 ProcessorChain#proccess 的实现。

测试代码：

    public static void main(String[] args) {
        Executor executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
        ProcessorChain processorChain = new ProcessorChain(Arrays.asList(new Processor1(), new Processor2(), new Processor3(), new Processor4()));
        Task task = new Task("1");
        CompletableFuture<Void> c = processorChain.process(task, executor).exceptionally(ex -> {
            System.out.println("处理过程中出现错误：" + ex.getMessage());
            return null;
        });
        log.info("处理完成");
    }

ProcessorChain#proccess：

    public CompletableFuture<Void> process(Task task, Executor executor) {
        CompletableFuture<Task> future = CompletableFuture.completedFuture(task);
        for (Processor processor : processors) {
            future = future.thenComposeAsync(t -> processor.process(t, executor), executor);
        }
        return future.thenAccept(result -> System.out.println("处理完成，结果是：" + result));
    }

执行流程如下：

1. main 线程开始执行，并调用 ProcessorChain 的 process 方法。
2. 在 ProcessorChain 的 process 方法中，main 线程创建了一个已经完成的 CompletableFuture，并开始遍历 Processor 对象。
3. main 线程调用 thenComposeAsync 方法，此时 main 线程将 Processor1 的 process 方法提交给 Executor，并立即返回一个新的 CompletableFuture。main 线程不会等待 Processor1 的 process 方法完成，因此 main 线程是非阻塞的。
4. Executor 的一个线程（称之为 Thread_1）开始执行 Processor1 的 process 方法。由于 thenComposeAsync 的链式调用，Processor2 的 process 方法会等待 Processor1 的 process 方法完成后才开始执行，以此类推。
5. main 线程继续遍历 Processor 对象，并对每个 Processor 重复步骤 3 和 4。每次调用 thenComposeAsync 方法时，main 线程都会立即返回一个新的 CompletableFuture，并将 Processor 的 process 方法提交给 Executor。这意味着 main 线程是非阻塞的，而 Executor 的线程会按照 Processor 的顺序执行 process 方法。
6. 当所有的 Processor 的 process 方法都完成后，其中一个 Executor 的线程会执行 thenAccept 方法，处理最后一个 Processor 的 process 方法返回的结果。

其实这里的 CompletableFuture<Task> future = CompletableFuture.completedFuture(task); 只是作为一个“CompletableFuture 的启动器”（这么一说是不是就更好理解了）。

响应式编程

其实上面的内容让我想起了响应式编程，引入维基百科的一个说明：

例如，在命令式编程环境中，a:=b+c表示将表达式的结果赋给a，而之后改变b或c的值不会影响a。但在响应式编程中，a的值会随着b或c的更新而更新。电子表格程序就是响应式编程的一个例子。单元格可以包含字面值或类似"=B1+C1"的公式，而包含公式的单元格的值会依据其他单元格的值的变化而变化 。

其实这里的 CompletableFuture 实际上是响应式编程的一个简单例子，因为它表示一个异步计算的结果，我们可以在它上面“提前”注册回调函数（我觉得这个“提前”是精髓），这些回调函数会在 CompletableFuture 的 Function 完成时被调用。而我这里就是提前准备好了一个结果，即 CompletableFuture，然后不断的循环在其上面增加回调。

可以增加日志看一下：

    public CompletableFuture<Void> process(Task task, Executor executor) {
        CompletableFuture<Task> future = CompletableFuture.completedFuture(task);
        for (Processor processor : processors) {
            log.info(future);
            future = future.thenComposeAsync(t -> processor.process(t, executor), executor);
            log.info(future);
          // future.thenComposeAsync(t -> processor.process(t, executor), executor);
        }
        return future.thenAccept(result ->log.info("处理完成，结果是：" + result));
    }

再次执行测试代码：

22:56:42.512 [main] INFO demo.sb1.ProcessorChain - java.util.concurrent.CompletableFuture@3fa77460[Completed normally]
22:56:42.611 [main] INFO demo.sb1.ProcessorChain - java.util.concurrent.CompletableFuture@e2d56bf[Not completed]
22:56:42.611 [main] INFO demo.sb1.ProcessorChain - java.util.concurrent.CompletableFuture@e2d56bf[Not completed]
22:56:42.612 [main] INFO demo.sb1.ProcessorChain - java.util.concurrent.CompletableFuture@244038d0[Not completed]
22:56:42.612 [main] INFO demo.sb1.ProcessorChain - java.util.concurrent.CompletableFuture@244038d0[Not completed]
22:56:42.612 [main] INFO demo.sb1.ProcessorChain - java.util.concurrent.CompletableFuture@5680a178[Not completed]
22:56:42.612 [main] INFO demo.sb1.ProcessorChain - java.util.concurrent.CompletableFuture@5680a178[Not completed]
22:56:42.612 [main] INFO demo.sb1.ProcessorChain - java.util.concurrent.CompletableFuture@5fdef03a[Not completed]
22:56:42.614 [main] INFO demo.sb1.ProcessorChainTest - 处理完成
22:56:42.615 [pool-1-thread-2] INFO demo.sb1.Processor1 - Processor1 is processing
22:56:43.620 [pool-1-thread-2] INFO demo.sb1.Processor1 - Processor1 end
22:56:43.620 [pool-1-thread-2] INFO demo.sb1.Processor2 - Processor2 is processing
22:56:45.625 [pool-1-thread-2] INFO demo.sb1.Processor2 - Processor2 end
22:56:45.625 [pool-1-thread-2] INFO demo.sb1.Processor3 - Processor3 is processing
22:56:48.630 [pool-1-thread-2] INFO demo.sb1.Processor3 - Processor3 end
22:56:48.631 [pool-1-thread-2] INFO demo.sb1.Processor4 - Processor4 is processing
22:56:52.635 [pool-1-thread-2] INFO demo.sb1.Processor4 - Processor4 end
22:56:52.635 [pool-1-thread-2] INFO demo.sb1.ProcessorChain - 处理完成，结果是：demo.sb1.Task@58d4f75a

重新梳理执行流程：

1. 最开始的启动器是 3fa77460，这是一个已经完成的 CompletableFuture 对象，用于启动异步操作链。

2. 第一次循环：3fa77460 执行 thenComposeAsync 方法，返回新的 CompletableFuture 对象 e2d56bf。此时，Processor1 的 process 方法正在异步执行。

3. 第二次循环：e2d56bf 执行 thenComposeAsync 方法，返回新的 CompletableFuture 对象 244038d0。此时，Processor2 的 process 方法正在等待 Processor1 的 process 方法完成。

4. 第三次循环：244038d0 执行 thenComposeAsync 方法，返回新的 CompletableFuture 对象 5680a178。此时，Processor3 的 process 方法正在等待 Processor2 的 process 方法完成。

5. 第四次循环：5680a178 执行 thenComposeAsync 方法，返回新的 CompletableFuture 对象 5fdef03a。此时，Processor4 的 process 方法正在等待 Processor3 的 process 方法完成。

6. 所有循环结束后，返回 5fdef03a。当所有的 Processor 的 process 方法都完成后，5fdef03a 会执行 thenAccept 方法，处理最后一个 Processor 的 process 方法返回的结果。

这个过程中，每个 CompletableFuture 对象都会等待前一个 CompletableFuture 对象完成，然后开始执行自己的异步操作。这就形成了一个 CompletableFuture 链，每个 CompletableFuture 对象都会按照 Processor 的顺序执行 process 方法。

CompletableFuture链

当调用thenComposeAsync方法时，会创建一个新的CompletableFuture对象：

    public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(
        Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn,
        Executor executor) {
        return uniComposeStage(screenExecutor(executor), fn);
    }

    private <V> CompletableFuture<V> uniComposeStage(
        Executor e, Function<? super T, ? extends CompletionStage<V>> f) {
        if (f == null) throw new NullPointerException();
        Object r; Throwable x;
        if (e == null && (r = result) != null) {
            // try to return function result directly
            if (r instanceof AltResult) {
                if ((x = ((AltResult)r).ex) != null) {
                    return new CompletableFuture<V>(encodeThrowable(x, r));
                }
                r = null;
            }
            try {
                @SuppressWarnings("unchecked") T t = (T) r;
                CompletableFuture<V> g = f.apply(t).toCompletableFuture();
                Object s = g.result;
                if (s != null)
                    return new CompletableFuture<V>(encodeRelay(s));
                CompletableFuture<V> d = new CompletableFuture<V>();
                UniRelay<V> copy = new UniRelay<V>(d, g);
                g.push(copy);
                copy.tryFire(SYNC);
                return d;
            } catch (Throwable ex) {
                return new CompletableFuture<V>(encodeThrowable(ex));
            }
        }
        CompletableFuture<V> d = new CompletableFuture<V>();
        //构建 UniCompose
        UniCompose<T,V> c = new UniCompose<T,V>(e, d, this, f);
        push(c);
        c.tryFire(SYNC);
        return d;
    }

构造的 UniCompose对象持有前一个CompletableFuture对象的引用，也就是 UniCompose 的 src 字段。所以即使循环中出现 CompletableFuture 被覆盖，也不用担心被 GC 的问题。

总结

本文以一个实际的场景设计问题为出发点，详细探讨了 CompletableFuture 的链式执行机制，对执行流程和线程切换进行了深入的分析，并对响应式编程的概念和应用进行了简单的讨论。

References

• https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E5%93%8D%E5%BA%94%E5%BC%8F%E7%BC%96%E7%A8%8B

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