如何在Java中使用Completable Future实现异步操作-java教程-PHP中文网

CompletableFuture是Java中实现异步操作的核心工具，通过supplyAsync和runAsync创建有无返回值的异步任务，支持自定义线程池；其链式编程如thenApply、thenAccept、thenCombine等方法可构建清晰的异步流程；相比传统Future的阻塞等待，CompletableFuture提供非阻塞回调、丰富组合能力及exceptionally、handle、whenComplete等灵活异常处理机制；典型应用场景包括微服务编排聚合、并行数据处理、异步事件响应、超时回退等，显著提升系统响应性和资源利用率。

如何在java中使用completable future实现异步操作

在Java中，要实现异步操作，

CompletableFuture

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无疑是当前最优雅、功能最强大的工具之一。它彻底改变了我们处理非阻塞任务的方式，让原本复杂的回调地狱变得清晰可控，大大提升了应用的响应性和资源利用率。简单来说，它提供了一种声明式的方式来构建异步任务链，让你能像写同步代码一样思考异步流程。

解决方案

在我看来，理解

CompletableFuture

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的核心在于认识到它不仅仅是一个表示异步计算结果的

Future

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，更是一个可以被“完成”的

Future

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，并且支持丰富的链式操作。这就像是你点了一份外卖，传统

Future

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只是给你一个订单号，你得不断打电话问外卖到哪了（阻塞），或者设个闹钟去查（轮询）。而

CompletableFuture

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呢，就像外卖小哥在送达前会通知你，或者你可以在下单时就告诉平台，等外卖到了，自动帮你把餐具摆好，甚至把电视打开。

最基本的异步任务创建，我们可以用

supplyAsync

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和

runAsync

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。

runAsync

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适用于不需要返回值的异步任务：

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> {
    // 模拟一个耗时操作
    try {
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
    System.out.println("这是一个没有返回值的异步任务，执行线程：" + Thread.currentThread().getName());
});
// 可以在这里做其他事情，不用等待
System.out.println("主线程继续执行...");
future.join(); // 阻塞等待任务完成，但不推荐在主线程频繁使用
System.out.println("异步任务完成！");

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而

supplyAsync

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则用于需要返回结果的异步任务：

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    try {
        Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
    return "异步操作的结果，执行线程：" + Thread.currentThread().getName();
});

// 在这里可以继续处理其他业务逻辑
System.out.println("主线程在等待结果的同时，可以做点别的...");

future.thenAccept(result -> {
    // 当异步任务完成时，处理结果
    System.out.println("收到异步结果：" + result + "，处理结果的线程：" + Thread.currentThread().getName());
});
// 为了演示，这里阻塞一下，实际应用中通常不会这样
// future.join();

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默认情况下，

supplyAsync

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和

runAsync

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会使用

ForkJoinPool.commonPool()

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来执行任务。如果需要自定义线程池，可以传入

Executor

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参数：

立即学习“Java免费学习笔记（深入）”；

ExecutorService customExecutor = Executors.newFixedThreadPool(5);
CompletableFuture<String> customFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // ... 耗时操作 ...
    return "使用自定义线程池的结果";
}, customExecutor);
// ...
customExecutor.shutdown();

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CompletableFuture

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真正的魅力在于它的链式编程。你可以将多个异步操作串联起来，形成一个处理流程：

```
thenApply(Function)
```
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：当上一个
```
CompletableFuture
```
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完成时，将其结果作为输入，执行一个函数并返回一个新的
```
CompletableFuture
```
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。
```
thenAccept(Consumer)
```
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：当上一个
```
CompletableFuture
```
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完成时，将其结果作为输入，执行一个消费操作，没有返回值。
```
thenRun(Runnable)
```
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：当上一个
```
CompletableFuture
```
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完成时，执行一个不带输入也不带返回值的操作。
```
thenCompose(Function)
```
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：当上一个
```
CompletableFuture
```
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完成时，将其结果作为输入，执行一个函数，这个函数返回一个新的
```
CompletableFuture
```
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。这对于扁平化嵌套的
```
CompletableFuture
```
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非常有用，类似于
```
flatMap
```
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。
```
thenCombine(otherFuture, BiFunction)
```
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：将两个独立的
```
CompletableFuture
```
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的结果合并处理。

一个简单的链式调用例子：

CompletableFuture<String> fetchUserData = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("1. 异步获取用户数据...");
    try { Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); }
    return "用户ID: 123";
});

CompletableFuture<String> processData = fetchUserData.thenApplyAsync(userId -> {
    System.out.println("2. 处理用户数据：" + userId);
    try { Thread.sleep(700); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); }
    return userId + ", 状态: 活跃";
});

CompletableFuture<Void> sendNotification = processData.thenAcceptAsync(processedInfo -> {
    System.out.println("3. 发送通知：" + processedInfo);
    // 模拟发送通知
});

sendNotification.join(); // 等待所有链式操作完成
System.out.println("所有异步操作链完成。");

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注意

thenApplyAsync

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等带

Async

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后缀的方法，它们会在另一个线程中执行回调，而没有

Async

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后缀的，可能会在完成上一个任务的同一个线程中执行，也可能在

ForkJoinPool.commonPool()

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中执行，这取决于具体情况。我个人倾向于在回调逻辑比较复杂或耗时时使用

Async

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版本，以确保非阻塞性。

CompletableFuture 与传统 Future 有何不同？

这真是一个经典的问题，也是我刚接触

CompletableFuture

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时最大的困惑。在我看来，传统的

Future

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就像一个“只读”的承诺，你拿到了它，就只能等待它完成，然后调用

get()

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方法来获取结果。问题是，

get()

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方法是阻塞的！这意味着如果你在主线程调用

future.get()

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，那么主线程就得傻傻地等着，直到异步任务完成。这不就又变回了同步吗？

更糟糕的是，

Future

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缺乏组合能力。如果你有多个

Future

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，你想等它们都完成再做点什么，或者等其中一个完成就继续，

Future

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本身并没有提供优雅的API。你可能需要手动管理线程池，或者使用

CountDownLatch

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、

ExecutorCompletionService

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等工具，代码会变得相当复杂和冗长。

CompletableFuture

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则完全不同。它是一个“可写”的

Future

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，你可以手动完成它（

complete()

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或

completeExceptionally()

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），也可以通过它提供的丰富的链式API来组合、转换和处理异步操作的结果。它最大的亮点就是非阻塞和声明式。

非阻塞性与回调：
```
CompletableFuture
```
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通过回调机制避免了阻塞。当你调用
```
thenApply
```
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、
```
thenAccept
```
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等方法时，你不是在等待结果，而是在注册一个当结果可用时会被执行的回调函数。这使得你的主线程或调用线程可以继续执行其他任务，大大提高了程序的响应性。
丰富的组合能力：
```
CompletableFuture
```
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提供了
```
thenCompose
```
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（扁平化
```
Future
```
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）、
```
thenCombine
```
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（合并两个
```
Future
```
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的结果）、
```
allOf
```
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（等待所有
```
Future
```
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完成）、
```
anyOf
```
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（等待任意一个
```
Future
```
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完成）等方法，让你可以像搭建乐高积木一样构建复杂的异步流程。这在处理微服务调用、并行数据处理等场景下简直是神器。
异常处理：
```
Future
```
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的异常处理非常原始，
```
get()
```
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方法会抛出
```
ExecutionException
```
登录后复制
。而
```
CompletableFuture
```
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提供了
```
exceptionally
```
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、
```
handle
```
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、
```
whenComplete
```
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等更细粒度的异常处理机制，可以优雅地捕获和恢复异常，甚至在异常发生时提供备用值。
可完成性：
```
CompletableFuture
```
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可以在任务未完成时，通过
```
complete()
```
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或
```
completeExceptionally()
```
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方法手动设置其结果或异常。这在某些特定场景下，比如超时处理或外部事件触发时，非常有用。

在我看来，

CompletableFuture

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真正代表了现代Java并发编程的范式转变，从命令式的“等待-获取”转向了声明式的“注册-响应”。

如何处理 CompletableFuture 中的异常？

处理异步操作中的异常，在我看来，是衡量一个并发工具是否成熟的关键标准之一。

CompletableFuture

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在这方面做得相当出色，它提供了多种机制来捕获和处理异步任务中可能出现的错误，远比传统

Future

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简单粗暴的

ExecutionException

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要优雅得多。

主要的异常处理方法有：

PPT.CN,PPTCN,PPT.CN是什么,PPT.CN官网,PPT.CN如何使用

一键操作，智能生成专业级PPT

查看详情

```
exceptionally(Function<Throwable, T>)
```
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：这个方法就像一个“备胎”机制。如果之前的
```
CompletableFuture
```
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链中任何一个环节抛出了异常，
```
exceptionally
```
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就会被触发，你可以提供一个函数来处理这个异常，并返回一个备用值。这个备用值会作为当前
```
CompletableFuture
```
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的结果，后续的正常回调（如
```
thenApply
```
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）会继续执行。
```
CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("开始执行任务...");
    if (Math.random() < 0.5) {
        throw new RuntimeException("随机错误发生！");
    }
    return "任务成功完成";
}).exceptionally(ex -> {
    System.err.println("捕获到异常：" + ex.getMessage());
    return "任务失败，返回默认值"; // 返回备用值
});

System.out.println("最终结果：" + future.join());
```
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这里要注意的是，
```
exceptionally
```
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接收的是
```
Throwable
```
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，但通常我们处理的是
```
Exception
```
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或其子类。它允许你从异常中恢复，让整个异步链继续“正常”地走下去。

handle(BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U>)

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：

handle

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方法更加通用，它无论任务是正常完成还是异常完成，都会被调用。它的回调函数接收两个参数：任务的结果和可能发生的异常。如果任务正常完成，

Throwable

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参数为

null

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；如果任务异常完成，结果参数为

null

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。你可以在

handle

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中决定是返回正常结果、备用结果，还是继续抛出异常。

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("执行任务...");
    if (Math.random() < 0.5) {
        throw new IllegalStateException("状态异常！");
    }
    return "成功数据";
}).handle((result, ex) -> {
    if (ex != null) {
        System.err.println("Handle中捕获异常：" + ex.getMessage());
        return "从异常中恢复的数据"; // 恢复
    } else {
        System.out.println("Handle中处理正常结果：" + result);
        return result + " (已处理)"; // 处理正常结果
    }
});
System.out.println("最终结果：" + future.join());

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handle

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的灵活性在于它能统一处理两种情况，我个人在需要根据结果或异常来决定下一步操作时更倾向于使用它。

whenComplete(BiConsumer<? super T, ? super Throwable>)

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：

whenComplete

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方法也无论任务成功或失败都会执行，但它不修改

CompletableFuture

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的结果。它主要用于执行一些副作用操作，比如日志记录、资源清理等，而不会影响后续链的执行。如果

whenComplete

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内部抛出异常，这个异常会被传递下去，而不是被它自身捕获。

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    System.out.println("任务开始...");
    if (Math.random() < 0.5) {
        throw new ArithmeticException("数学错误！");
    }
    return "计算结果";
}).whenComplete((result, ex) -> {
    if (ex != null) {
        System.err.println("任务失败，记录日志：" + ex.getMessage());
    } else {
        System.out.println("任务成功，记录日志：" + result);
    }
    // 注意：这里不能修改结果或恢复异常
}).exceptionally(ex -> { // 异常仍然会传递到这里
    System.err.println("最终异常恢复：" + ex.getMessage());
    return "备用计算结果";
});
System.out.println("最终状态：" + future.join());

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whenComplete

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更像是一个观察者，它能让你知道任务的最终状态，但不会干预结果。

最后，值得一提的是

join()

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和

get()

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方法。

get()

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会抛出

ExecutionException

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（包装了实际的异常）和

InterruptedException

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，而

join()

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会直接抛出非受检异常（

CompletionException

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，同样包装了实际异常）。在处理异常时，我个人更喜欢使用链式方法，因为它们提供了更细粒度的控制，避免了在

join()

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或

get()

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处突然中断整个流程。

CompletableFuture 在实际项目中有哪些典型应用场景？

在我的开发经验中，

CompletableFuture

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几乎是现代Java应用，尤其是微服务架构中不可或缺的工具。它让原本复杂的多服务协调、并行数据处理变得清晰高效。

微服务编排与聚合： 这是最常见的场景之一。假设你的前端页面需要展示一个用户的完整信息，而这些信息分散在不同的微服务中：用户基本信息服务、订单服务、评论服务、积分服务。如果同步调用这些服务，会非常慢。使用

CompletableFuture

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，你可以并行地调用所有这些服务，然后用

thenCombine

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或

allOf

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等方法将它们的结果聚合起来。

// 假设这些是调用不同微服务的异步方法
CompletableFuture<UserInfo> userInfoFuture = userService.getUserInfo(userId);
CompletableFuture<List<Order>> ordersFuture = orderService.getOrders(userId);
CompletableFuture<Integer> pointsFuture = pointService.getPoints(userId);

// 等待所有服务调用完成，然后聚合结果
CompletableFuture<FullUserProfile> fullProfileFuture = CompletableFuture.allOf(userInfoFuture, ordersFuture, pointsFuture)
    .thenApply(v -> { // v是Void，因为allOf返回Void
        UserInfo userInfo = userInfoFuture.join(); // join在这里是安全的，因为allOf保证它们已完成
        List<Order> orders = ordersFuture.join();
        Integer points = pointsFuture.join();
        return new FullUserProfile(userInfo, orders, points);
    })
    .exceptionally(ex -> {
        System.err.println("聚合用户档案失败：" + ex.getMessage());
        // 返回一个部分数据或默认值
        return new FullUserProfile(null, Collections.emptyList(), 0);
    });

FullUserProfile profile = fullProfileFuture.join();
// ... 处理完整的用户档案

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这样一来，整个页面的加载时间就取决于最慢的那个服务，而不是所有服务时间之和，极大地提升了用户体验。

并行数据处理与计算： 当需要处理大量数据，并且每个数据块的处理是独立的，或者需要对数据进行多个独立的计算时，

CompletableFuture

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可以用来并行化这些任务。例如，你有一个包含百万条记录的文件，需要对每条记录进行复杂的转换。你可以将文件分成多个块，每个块用一个

CompletableFuture

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来处理，最后再将结果合并。

List<String> largeDataSet = Arrays.asList("data1", "data2", "data3", "data4"); // 模拟大数据集
List<CompletableFuture<String>> futures = largeDataSet.stream()
    .map(data -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        // 模拟耗时的数据处理
        try { Thread.sleep(new Random().nextInt(1000)); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); }
        return data.toUpperCase(); // 转换为大写
    }))
    .collect(Collectors.toList());

// 等待所有处理完成
CompletableFuture<Void> allOf = CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[0]));

// 获取所有结果
CompletableFuture<List<String>> allResultsFuture = allOf.thenApply(v ->
    futures.stream()
        .map(CompletableFuture::join)
        .collect(Collectors.toList())
);

List<String> processedData = allResultsFuture.join();
System.out.println("所有数据处理完成：" + processedData);

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这比传统的

ExecutorService.submit()

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结合

future.get()

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循环要简洁和高效得多。

异步事件处理： 在事件驱动的架构中，当一个事件发生时，可能需要触发多个不相关的异步操作，比如发送邮件、更新缓存、记录日志等。

public void onUserRegistered(User user) {
    CompletableFuture.runAsync(() -> emailService.sendWelcomeEmail(user))
        .exceptionally(ex -> {
            System.err.println("发送欢迎邮件失败：" + ex.getMessage());
            return null;
        });

    CompletableFuture.runAsync(() -> cacheService.updateUserCache(user))
        .exceptionally(ex -> {
            System.err.println("更新用户缓存失败：" + ex.getMessage());
            return null;
        });

    CompletableFuture.runAsync(() -> auditLogService.logUserRegistration(user))
        .exceptionally(ex -> {
            System.err.println("记录注册日志失败：" + ex.getMessage());
            return null;
        });

    System.out.println("用户注册事件已处理，异步任务已启动。");
}

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主业务流程不会因为这些副作用操作的耗时而阻塞。

超时控制与回退机制：

CompletableFuture

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配合

CompletableFuture.anyOf

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和

CompletableFuture.runAfter

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可以实现优雅的超时和回退。

CompletableFuture<String> primaryServiceCall = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); }
    return "主服务结果";
});

// 模拟一个超时Future
CompletableFuture<String> timeout = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); }
    return "超时！";
});

// 哪个先完成就用哪个结果
CompletableFuture<Object> result = CompletableFuture.anyOf(primaryServiceCall, timeout)
    .thenApply(obj -> {
        if ("超时！".equals(obj)) {
            System.out.println("主服务超时，使用备用逻辑或抛出异常");
            // 可以在这里触发一个回退服务调用
            return "备用结果";
        }
        return obj;
    });

System.out.println("最终结果：" + result.join());

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这在调用外部API或不可靠服务时非常有用，可以防止单个慢服务拖垮整个系统。

这些场景仅仅是冰山一角。在我看来，一旦你掌握了