Java中CompletableFuture与虚拟线程比较

异步编程是现代 Java 应用程序的基石，允许它们在不阻塞主线程的情况下处理任务。但Java 21带来了新的挑战者：虚拟线程。这些传统操作系统线程的轻量级替代方案有望显着提高性能。然而，熟悉的 CompletableFuture 仍然是异步操作的强大工具。本文深入探讨了这两种方法的优点和缺点，帮助您为 Java 异步战争选择正确的武器！

背景
在当今快节奏的世界中，应用程序需要响应迅速且高效。传统的同步编程（主线程等待每个任务完成后再继续）可能会导致性能下降。这就是异步编程的用武之地！

异步编程允许 Java 应用程序同时处理多个任务，而不会阻塞主线程。想象一下服务器正在等待数据库查询完成。异步编程不会冻结整个应用程序，而是让服务器在数据库查询在后台运行时继续处理其他请求。这可以保持应用程序的响应能力并提供更流畅的用户体验。

随着 Java 21 中虚拟线程的引入，异步编程的格局即将发生重大变化。这些传统操作系统 (OS) 线程的轻量级替代方案有望提高性能和资源利用率。

然而，异步编程工具箱中成熟的工具 CompletableFuture 仍然是一个强大的选择。它提供了一种处理异步任务的结构化方法，并已在 Java 开发中广泛采用。

本文深入研究 CompletableFuture 和虚拟线程的世界，探讨它们的优点和缺点。我们将比较和对比这些方法，以帮助您选择正确的武器来处理 Java 应用程序中的异步操作。

CompletableFuture
CompletableFuture 是 Java 8 中引入的一个类，表示异步计算的未来结果。它使您能够编写异步、非阻塞代码，从而增强应用程序性能和响应能力。

  • 主要特征：
    • 异步任务链：
      • thenApply：转换已完成的 CompletableFuture 的结果。
      • thenAccept：对结果执行操作。
      • thenCombine：合并两个 CompletableFutures 的结果。
      • 用于复杂工作流程的更多方法。
    • 结果处理：
      • join：等待完成并检索结果（可能阻塞）。
      • get：与 类似 join，但具有超时选项和异常处理。
    • 错误处理：
      • exceptionally：在发生错误时提供后备操作。
      • handle：处理成功完成和异常。 


public static CompletableFuture<String> downloadFile(String url) {
  return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // Simulate downloading a file
    try {
      Thread.sleep(2000); // Simulate download time
      return "File downloaded successfully!";
    } catch (InterruptedException e) {
      throw new RuntimeException("Download interrupted!");
    }
  });
}
 
public static void main(String[] args) {
  downloadFile("https://example.com/file.txt")
      .thenAccept(result -> System.out.println(result))
      .exceptionally(error -> {
        System.err.println("Error downloading file: " + error.getMessage());
        return null;
      });
 
  System.out.println("Doing other tasks while downloading...");
}

在这个例子中：

  • downloadFile 返回一个 CompletableFuture 表示最终下载完成。
  • thenAccept 用于处理成功下载结果（打印消息）。
  • exceptionally 定义如果下载过程中发生错误该怎么办（打印错误消息）。
  • 主程序可以继续执行任务 ( System.out.println("Doing other tasks while downloading..."))，因为它不会被阻塞等待下载完成。


需要考虑的限制：

  • 线程池开销：  CompletableFuture 依赖线程池来执行异步任务。虽然与操作系统线程相比是轻量级的，但仍然存在一些与管理线程池相关的开销。
  • 上下文继承： 默认情况下，CompletableFuture 本身并不从调用线程继承上下文（如安全凭证）。如果异步操作需要，您可能需要显式传递此上下文。

尽管存在这些限制，CompletableFuture 仍然是 Java 异步编程的一个有价值的工具。然而，Java 21 中引入的虚拟线程为异步领域提供了一个新的竞争者。接下来我们就来探索一下它们吧！

虚拟线程
虽然 CompletableFuture 提供了一种结构化的异步编程方法，但 Java 21 引入了一个游戏规则改变者：虚拟线程。这些创新线程与传统操作系统线程有很大不同，带来了多种优势。
传统操作系统线程与虚拟线程：两个世界的故事

  • 操作系统线程： 这些是由操作系统直接管理的重量级实体。创建和管理它们可能会占用大量资源，尤其是在处理大量并发任务时。
  • 虚拟线程： 这些是在 Java 虚拟机 (JVM) 本身内运行的轻量级替代方案。它们不直接映射到操作系统线程，从而大大减少了创建和管理它们所需的资源。

轻量级虚拟线程的力量
与传统操作系统线程相比，虚拟线程具有以下几个优点：

  • 轻量级创建： 与操作系统线程相比，创建和管理虚拟线程速度更快，资源消耗更少。这使您可以拥有更大的并发任务池，而无需显着的开销。
  • 高效的资源利用： 由于虚拟线程是轻量级的，因此它们需要更少的系统资源。这意味着整体应用程序性能和可扩展性的提高，尤其是在资源受限的系统上。
  • 改进的可扩展性： 凭借其轻量级的特性，虚拟线程允许应用程序有效地处理大量并发任务。这对于处理大量异步操作的应用程序特别有利。

下面是一个示例（为了说明目的而进行了简化），演示了如何使用虚拟线程来执行与 CompletableFuture 示例类似的下载任务：

public static void downloadFileVirtualThread(String url) {
  new VirtualThread(() -> {
    // Simulate downloading a file
    try {
      Thread.sleep(2000); // Simulate download time
      System.out.println("File downloaded successfully!");
    } catch (InterruptedException e) {
      System.err.println("Download interrupted!");
    }
  }).start();
}
 
public static void main(String[] args) {
  downloadFileVirtualThread("https://example.com/file.txt");
 
  System.out.println("Doing other tasks while downloading...");
}

在这个例子中：
  • downloadFileVirtualThread 创建一个新的 VirtualThread 对象并为其分配下载任务（类似于 lambda 函数）。
  • start() 开始执行虚拟线程。
  • 主程序可以继续执行任务（System.out.println("Doing other tasks while downloading...")），因为虚拟线程异步处理下载。

需要考虑的限制

  • 早期开发阶段： 虚拟线程是 Java 中相对较新的功能。尽管前景广阔，但它们仍处于开发阶段，并且 API 可能会在未来的 Java 版本中不断发展。
  • 与 CompletableFuture 相比的成熟度：  CompletableFuture 已经存在了一段时间，并且围绕它构建了更成熟的库和工具生态系统。虚拟线程在这方面仍在迎头赶上。

尽管虚拟线程令人兴奋，但承认它们的局限性也很重要。 CompletableFuture 仍然是一个成熟的工具，拥有良好的记录。

何时使用 CompletableFuture 或虚拟线程
线程模型   ：

  • CompletableFuture依赖底层线程池（操作系统线程）    
  • 虚拟线程由 JVM 管理的轻量级线程

开销    
  • CompletableFuture线程池管理的开销适中  
  • 虚拟线程创建和管理线程的开销非常低

复杂    
  • CompletableFuture相对简单的API    
  • 虚拟线程稍微复杂的 API（Java 21 中的新概念）

错误处理    
  • CompletableFuture提供处理异常的机制    
  • 虚拟线程错误处理的工作方式与传统线程类似

上下文继承    
  • CompletableFuture本身并不从调用线程继承上下文    
  • 虚拟线程可以从父线程继承上下文

CompletableFuture 的场景：

  • 现有代码库： 如果您的代码库已经有效地利用了 CompletableFuture，则可能不需要立即切换到虚拟线程。
  • 更简单的异步任务： 对于不需要极高资源效率的更简单的异步操作，CompletableFuture 可能是一个不错的选择，因为它具有熟悉的 API。
  • 繁重CPU计算 与并发 并行计算结合

虚拟线程的场景：
  • 高度并发任务： 处理大量并发操作的应用程序可以从虚拟线程的轻量级特性中受益匪浅。
  • 提高资源利用率： 如果资源效率是重中之重，虚拟线程可以帮助您以更少的系统资源需求处理更多并发任务。
  • 面向未来： 随着虚拟线程的成熟，它们有可能成为 Java 异步编程的主要方法。
  • 只适合IO输入输出的堵塞场景 取代NIO 等socket

选择正确的工具：
CompletableFuture 和虚拟线程都有各自的优点和缺点。最佳选择取决于您的具体项目要求：

  • 对于具有更简单的异步任务并注重可维护性的现有代码库，CompletableFuture 可能是一个不错的选择。
  • 对于需要高并发性、资源效率和面向未来的应用程序，虚拟线程提供了一个令人信服的替代方案。