25 | CompletionService：如何批量执行异步任务？-Java并发编程实战

当前位置:　首页>> 技术小册>> Java并发编程实战

### 第25章 CompletionService：如何批量执行异步任务？

在Java并发编程的广阔天地中，`CompletionService`是一个极为强大的工具，它提供了一种灵活的方式来批量处理异步任务，并能在任务完成时立即获得结果。这种机制尤其适用于需要并行处理大量任务，且任务完成顺序不重要的场景。本章将深入探讨`CompletionService`的工作原理、如何使用它以及它在实际应用中的优势与局限性。

#### 25.1 引言

在传统的并发模型中，当我们需要并行执行多个任务并等待它们完成时，通常会使用线程池（如`ExecutorService`）来管理这些任务的执行。然而，当任务数量庞大且我们希望在任务完成时立即处理其结果时，传统的轮询或等待所有任务完成再统一处理的方式就显得效率低下。`CompletionService`正是为了解决这一问题而设计的，它提供了一种能够异步接收任务执行结果的机制。

#### 25.2 CompletionService概述

`CompletionService`是Java并发包`java.util.concurrent`中的一个接口，它扩展了`ExecutorService`的功能，允许生产者提交任务给服务去执行，而消费者则可以按照任务完成的顺序（而非提交的顺序）来获取结果。`CompletionService`的核心在于它将任务的提交与执行结果的获取解耦，使得我们可以更高效地处理大量异步任务。

`CompletionService`接口定义了两个主要方法：
- `submit(Callable<V> task)`：提交一个`Callable`任务给`CompletionService`执行，并返回一个表示该任务的`Future`。但需要注意的是，这个`Future`对象与直接使用`ExecutorService`时返回的`Future`对象不同，它主要用于内部跟踪，通常不直接用于结果的获取。
- `take()` 和 `poll(long timeout, TimeUnit unit)`：这两个方法用于从已完成的任务队列中取出结果。`take()`方法会阻塞直到有任务完成并返回其`Future`，而`poll()`方法则可以在指定时间内尝试获取已完成的任务，如果没有则返回`null`。

#### 25.3 实现CompletionService

Java并发包中提供了一个`CompletionService`的实现类——`ExecutorCompletionService`，它通过将`ExecutorService`和`BlockingQueue<Future<V>>`结合使用来实现`CompletionService`接口。`ExecutorCompletionService`内部维护了一个阻塞队列，用于存放任务执行完成后的`Future`对象。当任务完成时，`ExecutorCompletionService`会将对应的`Future`放入这个队列中，从而使得消费者可以按需获取结果。

```java
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
CompletionService<String> completionService = new ExecutorCompletionService<>(executor);

// 提交多个任务
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    final int taskId = i;
    completionService.submit(() -> {
        // 模拟耗时任务
        Thread.sleep(1000);
        return "Result of task " + taskId;
    });
}

// 批量获取并处理结果
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    try {
        Future<String> future = completionService.take();
        String result = future.get(); // 阻塞直到结果准备好
        System.out.println(result);
    } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

executor.shutdown();
```

#### 25.4 优势与应用场景

`CompletionService`的优势主要体现在以下几个方面：

1. **高效性**：通过解耦任务的提交与结果的获取，`CompletionService`允许我们即时处理已完成的任务，无需等待所有任务都完成，从而提高了系统的响应速度和吞吐量。

2. **灵活性**：消费者可以按任意顺序获取任务结果，这为处理结果提供了极大的灵活性。例如，在Web服务中，我们可以先响应那些完成得快的请求，从而提升用户体验。

3. **易用性**：`ExecutorCompletionService`作为`CompletionService`的一个具体实现，与`ExecutorService`紧密集成，使得在现有代码基础上引入`CompletionService`变得简单直接。

`CompletionService`的应用场景包括但不限于：
- 批量数据处理与转换。
- 异步I/O操作，如文件读写、网络请求等。
- 复杂任务的分解与并行执行。
- 实时计算与响应系统，如股票交易系统、实时数据分析等。

#### 25.5 注意事项与最佳实践

尽管`CompletionService`功能强大且灵活，但在使用过程中也需要注意以下几点：

1. **资源管理**：确保在不再需要时正确关闭`ExecutorService`，以释放系统资源。

2. **异常处理**：在调用`Future.get()`方法时可能会抛出`ExecutionException`，表示任务执行过程中抛出了异常。此外，还需要处理`InterruptedException`，以应对线程中断的情况。

3. **结果排序**：如果任务的完成顺序对最终结果有影响，则可能需要额外的逻辑来确保结果的正确排序。但请注意，`CompletionService`本身并不保证结果的顺序。

4. **性能调优**：根据任务的特点和系统的负载情况，合理设置线程池的大小和类型，以达到最优的性能。

5. **避免阻塞**：在调用`take()`或`poll()`方法时，要注意避免长时间阻塞，特别是在高并发场景下，可以考虑使用超时机制或结合其他并发控制手段。

#### 25.6 结论

`CompletionService`是Java并发编程中一个非常有用的工具，它提供了一种高效且灵活的方式来处理批量异步任务。通过解耦任务的提交与结果的获取，`CompletionService`使得我们能够更加灵活地控制任务的执行流程，并在任务完成时立即处理其结果。在实际应用中，我们应当根据具体需求选择合适的并发工具和策略，以充分发挥Java并发编程的强大功能。

该分类下的相关小册推荐：

经典设计模式Java版

Java语言基础9-常用API和常见算法

SpringBoot合辑-初级篇

Java语言基础8-Java多线程

Java语言基础7-Java中的异常

SpringBoot合辑-高级篇

Java必知必会-Maven初级

Java语言基础12-网络编程

Java语言基础6-面向对象高级

Mybatis合辑2-Mybatis映射文件

Java语言基础5-面向对象初级

Java语言基础14-枚举和注解