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Java 异步编程之 Thread、Runnable、Callable、CompletableFuture 与线程池实战

news 2026/5/28 1:23:52

一、为什么需要异步编程？

在后端开发中，一个接口里经常会做很多事情。

比如用户下单：

1. 创建订单
2. 扣减库存
3. 扣减余额
4. 发送短信
5. 写操作日志
6. 通知第三方系统

其中：创建订单、扣库存、扣余额属于核心流程，通常需要同步执行。

但是：发送短信、写日志、通知第三方不一定要阻塞主流程，可以考虑异步执行。

异步编程的价值是：

提升接口响应速度
提高系统吞吐量
减少主线程等待时间
更好地利用 CPU 和 IO 资源

但是异步也不是万能的，它会带来：

异常处理复杂
事务边界复杂
线程安全问题
线程池资源管理问题

所以学习异步编程，不能只会写代码，还要理解它的底层逻辑和适用场景。

二、Java 线程基础：Thread

Thread是 Java 中表示线程的类。

最基础的创建线程方式是继承Thread，重写run()方法。

1. 继承 Thread 创建线程

public class MyThread extends Thread { @Override public void run() { System.out.println("子线程执行：" + Thread.currentThread().getName()); } public static void main(String[] args) { MyThread thread = new MyThread(); thread.start(); System.out.println("主线程执行：" + Thread.currentThread().getName()); } }

可能输出：

主线程执行：main
子线程执行：Thread-0

线程执行顺序不是固定的，具体由操作系统调度决定。

2. start() 和 run() 的区别

thread.start(); 表示真正启动一个新线程。

thread.run(); 只是普通方法调用，不会创建新线程。

3. 为什么不推荐直接继承 Thread？

虽然继承Thread可以创建线程，但实际开发中不推荐。

原因有三个：

1. Java 是单继承，继承 Thread 后就不能继承其他类。
2. 线程和任务耦合，不利于代码复用。
3. 生产环境更推荐使用线程池，而不是频繁 new Thread。

三、任务模型一：Runnable

Runnable是一个任务接口，表示一个没有返回值的任务。

@FunctionalInterface public interface Runnable { void run(); }

它只有一个run()方法。

1. 实现 Runnable

public class SendSmsTask implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println("发送短信：" + Thread.currentThread().getName()); } public static void main(String[] args) { SendSmsTask task = new SendSmsTask(); Thread thread = new Thread(task); thread.start(); } }

这里的结构比继承Thread更清晰：

SendSmsTask 负责描述任务
Thread 负责执行任务。

2. 匿名内部类写法

public class RunnableDemo { public static void main(String[] args) { Runnable task = new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("异步写日志：" + Thread.currentThread().getName()); } }; new Thread(task).start(); } }

3. Lambda 写法

因为Runnable是函数式接口，所以可以用 Lambda 简化：

public class RunnableLambdaDemo { public static void main(String[] args) { new Thread(() -> { System.out.println("异步任务执行：" + Thread.currentThread().getName()); }).start(); } }

Lambda 只是简化写法，本质还是实现Runnable的run()方法。

4. Runnable 的特点

没有返回值
不能直接抛出受检异常
可以交给 Thread 执行
可以交给线程池执行

四、任务模型二：Callable

Runnable没有返回值，如果我们希望异步任务执行完成后返回一个结果，就可以使用Callable。

@FunctionalInterface public interface Callable<V> { V call() throws Exception; }

Callable有两个特点：

有返回值
可以抛出异常

1. Callable 示例

import java.util.concurrent.Callable; public class QueryUserTask implements Callable<String> { @Override public String call() throws Exception { System.out.println("查询用户信息：" + Thread.currentThread().getName()); Thread.sleep(1000); return "用户信息：张三"; } }

但是注意，Thread不能直接执行Callable。

下面这种写法是错误的：

FutureTask<String> task = new FutureTask(new QueryUserTask()); Thread thread = new Thread(task); // 编译错误

原因是 thread 的构造方法接收 Runnable，不接收 Callable。

所以Callable如果想交给Thread执行，需要借助FutureTask。

FutureTask<String> futureTask = new QueryUserTask<>(); Thread thread = new Thread(futureTask); thread.start();

六、FutureTask：连接 Callable 和 Thread 的桥梁

FutureTask很重要。

它既是Runnable，又是Future。

源码关系大概是：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> { }

而：

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> { void run(); }

所以：

FutureTask 可以被 Thread 执行。 FutureTask 也可以通过 get() 获取结果。

1. Callable + FutureTask + Thread

import java.util.concurrent.Callable; import java.util.concurrent.FutureTask; public class FutureTaskDemo { public static void main(String[] args) throws Exception { Callable<String> callable = new Callable<String>() { @Override public String call() throws Exception { System.out.println("子线程开始查询用户：" + Thread.currentThread().getName()); Thread.sleep(2000); return "用户信息：张三"; } }; FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(callable); Thread thread = new Thread(futureTask); thread.start(); System.out.println("主线程继续执行：" + Thread.currentThread().getName()); String result = futureTask.get(); //同步阻塞，等待获取异步结果 System.out.println("获取异步结果：" + result); } }

2. FutureTask 的缺点

FutureTask适合简单异步任务，但缺点也明显：

get() 会阻塞
不方便做回调
不方便组合多个任务
异常处理不够优雅
任务编排能力弱

七、CompletableFuture：更强大的异步编排工具

FutureTask能解决简单异步任务，但是它不适合复杂任务编排。

例如商品详情页需要同时查：

商品信息
库存信息
价格信息
优惠券信息
评价信息

如果串行查：

商品 200ms
库存 300ms
价格 200ms
优惠券 400ms
评价 300ms

总耗时约 1400ms

如果并行查：

多个任务同时执行
总耗时约等于最慢的任务，也就是 400ms 左右

这类场景就适合使用CompletableFuture。

1. CompletableFuture 的定位

CompletableFuture可以理解为：

Future 的增强版 + 异步任务编排工具。

它支持：

异步执行
任务回调
任务串联
任务合并
多个任务并行
异常兜底

八、CompletableFuture 常用方法详解

1. runAsync：执行无返回值任务

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("异步发送短信：" + Thread.currentThread().getName()); } }, executor); future.join();

适合：

发送短信
写日志
清理缓存
异步通知

因为没有返回值，所以类型是：CompletableFuture<Void>

2. supplyAsync：执行有返回值任务

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { System.out.println("查询用户：" + Thread.currentThread().getName()); return "用户信息：张三"; }, executor); String result = future.join(); System.out.println(result);

supplyAsync适合有返回结果的任务。

3. thenApply：接收结果，并返回新结果

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return "用户1001"; }, executor).thenApply(userInfo -> { return userInfo + " 的订单信息"; }); String result = future.join(); System.out.println(result);

输出：用户1001 的订单信息

特点：接收上一步结果返回一个新结果

4. thenAccept：接收结果，不返回新结果

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return "订单创建成功"; }, executor).thenAccept(result -> { System.out.println("发送通知：" + result); }); future.join();

特点：接收上一步结果没有返回值

5. thenRun：不接收结果，也不返回结果

CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return "订单结果"; }, executor).thenRun(() -> { System.out.println("订单流程结束，记录日志"); }); future.join();

特点：

不关心上一步结果
只是在上一步完成后继续执行

6. thenApply 和 thenApplyAsync 的区别

这是重点。

thenApply() 不一定开启新线程，通常由上一步任务完成的线程继续执行。

thenApplyAsync() 会把下一步重新提交到线程池执行。

示例：

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { System.out.println("第一步：" + Thread.currentThread().getName()); return "用户信息"; }, executor).thenApplyAsync(result -> { System.out.println("第二步：" + Thread.currentThread().getName()); return result + " + 订单信息"; }, executor);

选择建议：

7. thenCombine：合并两个任务结果

如果两个任务互不依赖，可以并行执行，最后合并结果。

CompletableFuture<UserDTO> userFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return userService.queryUserInfo(1001L); }, executor); CompletableFuture<OrderDTO> orderFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return orderService.queryOrderInfo(1001L); }, executor); CompletableFuture<UserOrderDTO> resultFuture = userFuture.thenCombine(orderFuture, (UserDTO user, OrderDTO order) -> { UserOrderDTO dto = new UserOrderDTO(); dto.setUser(user); dto.setOrder(order); return dto; }); UserOrderDTO result = resultFuture.join();

thenCombine的意思是：

等两个任务都完成后，拿到两个任务结果，再合并成一个新结果。

8. allOf：等待多个任务全部完成

CompletableFuture<UserDTO> userFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> userService.queryUserInfo(1001L), executor); CompletableFuture<OrderDTO> orderFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> orderService.queryOrderInfo(1001L), executor); CompletableFuture<CouponDTO> couponFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> couponService.queryCoupon(1001L), executor); CompletableFuture.allOf(userFuture, orderFuture, couponFuture).join(); UserDTO user = userFuture.join(); OrderDTO order = orderFuture.join(); CouponDTO coupon = couponFuture.join();

注意：

CompletableFuture.allOf(...)

返回的是：

CompletableFuture<Void>

每个任务结果还需要分别：

userFuture.join();
orderFuture.join();
couponFuture.join();

9. anyOf：任意一个任务完成即可

CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { sleep(3000); return "服务A返回结果"; }, executor); CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { sleep(1000); return "服务B返回结果"; }, executor); Object result = CompletableFuture.anyOf(future1, future2).join(); System.out.println(result);

输出大概率是：服务B返回结果

适合场景：

多个服务查同一份数据
谁先返回就用谁
容灾查询

九、CompletableFuture 异常处理

异步任务也可能失败。

如果不处理异常：

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { int i = 1 / 0; return "success"; }, executor); String result = future.join();

join()会抛出：CompletionException

1. exceptionally：异常兜底

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { int i = 1 / 0; return "success"; }, executor).exceptionally(ex -> { System.out.println("异步任务异常：" + ex.getMessage()); return "默认结果"; }); String result = future.join(); System.out.println(result);

输出：默认结果

exceptionally只在异常时执行。

2. handle：成功失败都处理

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return "正常结果"; }, executor).handle((result, ex) -> { if (ex != null) { return "失败兜底结果"; } return result; }); String result = future.join(); System.out.println(result);

handle的特点：

成功也执行 失败也执行 可以返回新的结果

3. whenComplete：只做观察，不改变结果

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return "订单创建成功"; }, executor).whenComplete((result, ex) -> { if (ex != null) { System.out.println("任务失败：" + ex.getMessage()); } else { System.out.println("任务成功：" + result); } }); String result = future.join();

whenComplete适合：

打印日志
监控埋点
记录任务状态

十、线程池：生产环境不建议直接 new Thread

前面的代码里，我们经常写：new Thread(task).start();

但是生产环境不建议频繁这么写。

原因是：

线程创建销毁有成本
线程数量不可控
高并发下可能创建大量线程，压垮服务器
不方便统一管理线程

所以实际开发中更推荐使用线程池。

1. ExecutorService 执行 Runnable

import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; public class ExecutorRunnableDemo { public static void main(String[] args) { ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3); pool.execute(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("执行 Runnable 任务：" + Thread.currentThread().getName()); } }); pool.shutdown(); } }

execute()用于执行没有返回值的任务。

2. ExecutorService 执行 Callable

import java.util.concurrent.Callable; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.Future; public class ExecutorCallableDemo { public static void main(String[] args) throws Exception { ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3); Future<String> future = pool.submit(new Callable<String>() { @Override public String call() throws Exception { System.out.println("执行 Callable 任务：" + Thread.currentThread().getName()); Thread.sleep(1000); return "订单查询结果"; } }); String result = future.get(); System.out.println("获取结果：" + result); pool.shutdown(); } }

这里：pool.submit(callable);

返回的是： Future<String>

然后通过：future.get(); 获取结果。

3. execute 和 submit 的区别

异常表现也不同：

execute() 执行任务异常，通常会直接打印异常。
submit() 执行任务异常，异常会封装进 Future，调用 get() 时才抛出。

4. ThreadPoolExecutor：推荐的线程池创建方式

虽然下面写法简单：

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);

但是生产环境更推荐手动创建ThreadPoolExecutor。

原因是Executors一些方法底层使用无界队列，任务过多时可能造成内存压力。

推荐写法

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor; import java.util.concurrent.TimeUnit; public class ThreadPoolConfigDemo { public static ThreadPoolExecutor buildExecutor() { return new ThreadPoolExecutor( 10, 20, 60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100), Executors.defaultThreadFactory(), new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy() ); } }

核心参数说明

new ThreadPoolExecutor( corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, handler );

线程池执行流程

假设：

corePoolSize = 10
maximumPoolSize = 20
queue = 100

执行流程：

常见拒绝策略

十一、CompletableFuture + 线程池实战：商品详情页聚合查

1. 业务场景

商品详情页需要查询：

商品基本信息
库存信息
价格信息
优惠券信息
评价信息

这些查询之间没有强依赖，可以并行执行。

2. 线程池配置

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor; import java.util.concurrent.TimeUnit; public class AsyncExecutorConfig { public static ThreadPoolExecutor buildExecutor() { return new ThreadPoolExecutor( 10, 20, 60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(200), Executors.defaultThreadFactory(), new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy() ); } }

3. DTO 示例

public class ProductDetailDTO { private ProductDTO product; private StockDTO stock; private PriceDTO price; private CouponDTO coupon; private CommentDTO comment; public ProductDTO getProduct() { return product; } public void setProduct(ProductDTO product) { this.product = product; } public StockDTO getStock() { return stock; } public void setStock(StockDTO stock) { this.stock = stock; } public PriceDTO getPrice() { return price; } public void setPrice(PriceDTO price) { this.price = price; } public CouponDTO getCoupon() { return coupon; } public void setCoupon(CouponDTO coupon) { this.coupon = coupon; } public CommentDTO getComment() { return comment; } public void setComment(CommentDTO comment) { this.comment = comment; } }

简单 DTO：

public class ProductDTO { private Long productId; private String productName; public ProductDTO(Long productId, String productName) { this.productId = productId; this.productName = productName; } }

public class StockDTO { private Integer stock; public StockDTO(Integer stock) { this.stock = stock; } }

public class StockDTO { private Integer stock; public StockDTO(Integer stock) { this.stock = stock; } }

public class CouponDTO { private String couponName; public CouponDTO(String couponName) { this.couponName = couponName; } }

public class CommentDTO { private Integer commentCount; public CommentDTO(Integer commentCount) { this.commentCount = commentCount; } }

4. 模拟 Service

public class ProductService { public ProductDTO queryProduct(Long productId) { sleep(200); return new ProductDTO(productId, "iPhone 15"); } private void sleep(long millis) { try { Thread.sleep(millis); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } } }

public class StockService { public StockDTO queryStock(Long productId) { sleep(300); return new StockDTO(100); } private void sleep(long millis) { try { Thread.sleep(millis); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } } }

public class PriceService { public PriceDTO queryPrice(Long productId) { sleep(200); return new PriceDTO(5999); } private void sleep(long millis) { try { Thread.sleep(millis); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } } }

public class CouponService { public CouponDTO queryCoupon(Long productId) { sleep(400); return new CouponDTO("满5000减300"); } private void sleep(long millis) { try { Thread.sleep(millis); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } } }

public class CouponService { public CouponDTO queryCoupon(Long productId) { sleep(400); return new CouponDTO("满5000减300"); } private void sleep(long millis) { try { Thread.sleep(millis); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } } }

5. 聚合查询实现

import java.util.concurrent.CompletableFuture; import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor; public class ProductDetailService { private final ProductService productService = new ProductService(); private final StockService stockService = new StockService(); private final PriceService priceService = new PriceService(); private final CouponService couponService = new CouponService(); private final CommentService commentService = new CommentService(); private final ThreadPoolExecutor executor = AsyncExecutorConfig.buildExecutor(); public ProductDetailDTO queryProductDetail(Long productId) { CompletableFuture<ProductDTO> productFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return productService.queryProduct(productId); }, executor); CompletableFuture<StockDTO> stockFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return stockService.queryStock(productId); }, executor); CompletableFuture<PriceDTO> priceFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return priceService.queryPrice(productId); }, executor); CompletableFuture<CouponDTO> couponFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return couponService.queryCoupon(productId); }, executor).exceptionally(ex -> { System.out.println("优惠券查询失败：" + ex.getMessage()); return null; }); CompletableFuture<CommentDTO> commentFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { return commentService.queryComment(productId); }, executor).exceptionally(ex -> { System.out.println("评价查询失败：" + ex.getMessage()); return new CommentDTO(0); }); CompletableFuture.allOf( productFuture, stockFuture, priceFuture, couponFuture, commentFuture ).join(); ProductDetailDTO detailDTO = new ProductDetailDTO(); detailDTO.setProduct(productFuture.join()); detailDTO.setStock(stockFuture.join()); detailDTO.setPrice(priceFuture.join()); detailDTO.setCoupon(couponFuture.join()); detailDTO.setComment(commentFuture.join()); return detailDTO; } }

6. 测试代码

public class ProductDetailTest { public static void main(String[] args) { ProductDetailService productDetailService = new ProductDetailService(); long start = System.currentTimeMillis(); ProductDetailDTO detailDTO = productDetailService.queryProductDetail(1001L); long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("查询完成，耗时：" + (end - start) + "ms"); System.out.println(detailDTO); } }

串行查询大约需要：200 + 300 + 200 + 400 + 300 = 1400ms

并行查询大约需要：取最慢任务耗时，大约 400ms

这就是CompletableFuture + 线程池的典型应用场景。

十二、异步编程中的事务问题

异步编程一定要注意事务。

错误示例：

@Transactional public void createOrder(Long userId, Long productId) { orderMapper.insertOrder(userId, productId); CompletableFuture.runAsync(() -> { stockMapper.deductStock(productId); }, executor); accountMapper.deductBalance(userId); }

很多人以为：

createOrder() 方法加了 @Transactional，
所以里面所有数据库操作都在一个事务里。

但这是错误的。

因为：

Spring 事务默认绑定当前线程。
CompletableFuture 开启的是新线程。
新线程不会自动加入外层 @Transactional 事务。

也就是说：stockMapper.deductStock(productId); 通常不在外层事务中

如果外层事务回滚，异步线程里的库存扣减不一定回滚，可能造成数据不一致。

核心写流程建议同步事务执行

@Transactional public void createOrder(Long userId, Long productId) { orderMapper.insertOrder(userId, productId); stockMapper.deductStock(productId); accountMapper.deductBalance(userId); }

如果是跨服务场景，要考虑：

可靠消息
本地消息表
TCC
Saga
补偿机制
幂等控制
最终一致性

十三、异步编程最佳实践

1. 不要所有任务都异步

适合异步的任务：

耗时任务
非核心任务
可以延迟完成的任务
失败后可以补偿的任务
多个互不依赖的查询任务

2. 一定要使用自定义线程池

不要大量使用：CompletableFuture.supplyAsync(() -> queryData());

因为默认使用的是：ForkJoinPool.commonPool()

这是公共线程池，不适合承载大量业务任务。

9. anyOf：任意一个任务完成即可

1. 业务场景

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