要深入理解CompletableFuture，就必须先搞懂Future的原理，因为CompletableFuture是在其基础上增加了回调和JDK1.8的操作
一、线程池提交Callable，返回Future，通过future.get，阻塞地获取结果
项目中使用Future，将Callable task作为参数提交到线程池中，然后通过get获取结果

ListenableFuture future = listeningExecutorService .submit(() -> save()); executeFutures.add(future); future.get();

submit方法，这里的线程池继承了ThreadExecutor，实现了submit方法。在原来的submit上做了增强，能够在线程传递之时，把spanId传给子线程。submit依然是交给父类ThreadExecutor的submit方法执行

@Override public Future submit(Callable task) { // 获取父线程MDC中的内容，必须在run方法之前，否则等异步线程执行的时候有可能MDC里面的值已经被清空了，这个时候就会返回null Map context = MDC.getCopyOfContextMap(); return super.submit(() -> run(task, context)); }

提交后，AbstractExecutorService会将Callable通过newTaskFor利用构造函数新建一个FutureTask，由于RunnableFuture继承了Runnable和Future接口，所以excute可以执行ftask。并且可以返回结果

public Future submit(Callable task) { if (task == null) throw new NullPointerException(); RunnableFuture ftask = newTaskFor(task); execute(ftask); return ftask; } protected RunnableFuture newTaskFor(Callable callable) { return new FutureTask(callable); }

构造函数保存callable，将state初始化为NEW，而且还可以兼容Runnable的传入。通过Executors.callable适配器模式，将Runnable适配为Callable

public FutureTask(Callable callable) { if (callable == null) throw new NullPointerException(); this.callable = callable; this.state = NEW; // ensure visibility of callable } public FutureTask(Runnable runnable, V result) { this.callable = Executors.callable(runnable, result); this.state = NEW; // ensure visibility of callable }

提交到线程池之后，什么时候能够执行，就跟线程池的策略有关了，具体跟核心线程数、工作队列、最大线程数、拒绝策略等参数有关。当轮到此任务执行时，会调用FutureTask中的run()方法。
二、FutureTask的结构和状态机
接下来先看下FutureTask的继承体系和数据结构

/** 封装的Callable对象，其call方法用来执行异步任务，其实就是把callable包装在这里，执行call()方法之后,future可以拿到结果，在get()中返回 */ private Callable callable; /** 在FutureTask里面定义一个成员变量outcome，用来装异步任务的执行结果 */ private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes /** 用来执行callable任务的线程 ，判断这个参数是否为null，可以知道当前是否有线程在执行*/ private volatile Thread runner; /** 线程等待节点，reiber stack的一种实现。存的是获取任务状态或结果的线程 */ private volatile WaitNode waiters; /** 任务执行状态 ，由于更新状态需要保证线程安全，因此需要用volatile和CAS保证线程安全*/ private volatile int state; // Unsafe mechanics private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE; // 对应成员变量state的偏移地址 private static final long stateOffset; // 对应成员变量runner的偏移地址 private static final long runnerOffset; // 对应成员变量waiters的偏移地址 private static final long waitersOffset;




状态

private static final int NEW= 0; private static final int COMPLETING= 1; private static final int NORMAL= 2; private static final int EXCEPTIONAL= 3; private static final int CANCELLED= 4; private static final int INTERRUPTING = 5; private static final int INTERRUPTED= 6;



状态的转换如下：

• NEW -> COMPLETING -> NORMAL:这个状态变化表示异步任务的正常结束，其中COMPLETING是一个瞬间临时的过渡状态，由set方法设置状态的变化；
• NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL:这个状态变化表示异步任务执行过程中抛出异常，由setException方法设置状态的变化；
• NEW -> CANCELLED:这个状态变化表示被取消，即调用了cancel(false)，由cancel方法来设置状态变化；
• NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED:这个状态变化表示被中断，即调用了cancel(true)，由cancel方法来设置状态变化。

三、future的run方法：当前状态为NEW->调用call()方法->保存异常或者正常执行的结果，并进行状态的流转。保存结果后就可以用finishComplete唤醒阻塞的线程
然后我们就可以看看run()方法执行过程了

public void run() { if (state != NEW || !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread())) //当前状态不是NEW或者将当前线程设置为runner对象失败时返回，说明有其他线程执行过了。 return; try { Callable c = callable; if (c != null && state == NEW) { V result; boolean ran; try { //执行call()方法 result = c.call(); ran = true; } catch (Throwable ex) { result = null; ran = false; //抛出异常时，保存结果 setException(ex); } if (ran) //保存返回值 set(result); } } finally { // runner must be non-null until state is settled to // prevent concurrent calls to run() runner = null; // state must be re-read after nulling runner to prevent // leaked interrupts int s = state; if (s >= INTERRUPTING)//这里有个疑问，什么时候state会是中断的状态？ handlePossibleCancellationInterrupt(s); } }

set()和setException负责保存结果到outcome和状态的流转。调用finishCompletion将阻塞的线程唤醒

protected void set(V v) { if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { outcome = v; UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state finishCompletion(); } } protected void setException(Throwable t) { if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) { outcome = t; UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state finishCompletion(); } }

finishCompletion
方法的作用就是不管异步任务正常还是异常结束，此时都要唤醒且移除线程等待链表的等待线程节点，这个链表实现的是一个是Treiber stack，因此唤醒（移除）的顺序是"后进先出"即后面先来的线程先被先唤醒（移除），关于这个线程等待链表是如何成链的，后面再继续分析。

// assert state > COMPLETING; for (WaitNode q; (q = waiters) != null; ) { if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {//这里为什么要把waiters设置为null for (; ; ) { Thread t = q.thread; //对于waiters的结构比较困惑。看不懂遍历的过程 if (t != null) { q.thread = null; //唤醒等待结果的线程 LockSupport.unpark(t); } WaitNode next = q.next; if (next == null) break; q.next = null; // unlink to help gc q = next; } break; } }done(); callable = null; // to reduce footprint }

四、get方法实现：主要是调用awaitDone方法，判断当前状态看是否可以返回结果。对于不同的状态有不同的处理方式，而且可以设置阻塞的时间
get()方法的实现，当状态<=COMPLETING，会阻塞当前线程

int s = state; if (s <= COMPLETING) s = awaitDone(false, 0L); return report(s); }


|awaitDone()

private int awaitDone(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException { final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; WaitNode q = null; boolean queued = false; for (; ; ) { if (Thread.interrupted()) {//如果当前获取任务执行结果的线程被中断，此时移除该线程WaitNode链表节点，并抛出InterruptedException removeWaiter(q); throw new InterruptedException(); }int s = state; /**【问】此时将当前WaitNode节点的线程置空，其中在任务结束时也会调用finishCompletion将WaitNode节点的thread置空， * 这里为什么又要再调用一次q.thread = null; 呢？ *【答】因为若很多线程来获取任务执行结果，在任务执行完的那一刻，此时获取任务的线程要么已经在线程等待链表中，要么 *此时还是一个孤立的WaitNode节点。在线程等待链表中的的所有WaitNode节点将由finishCompletion来移除（同时唤醒）所有 * 等待的WaitNode节点，以便垃圾回收；而孤立的线程WaitNode节点此时还未阻塞，因此不需要被唤醒，此时只要把其属性置为 *null，然后其有没有被谁引用，因此可以被GC。**/ if (s > COMPLETING) { if (q != null) q.thread = null; return s; } //任务正在执行，让出线程 else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet Thread.yield(); else if (q == null)//若当前线程等待节点还未入线程等待队列，此时加入到该线程等待队列的头部 q = new WaitNode(); else if (!queued) queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q.next = waiters, q); else if (timed) { nanos = deadline - System.nanoTime(); if (nanos <= 0L) { removeWaiter(q); return state; } LockSupport.parkNanos(this, nanos); } else LockSupport.park(this); } }

五、Future的优点和缺点
Future的优点就是结合Callable能够异步执行，然后返回结果。但是有以下局限

1. 不能手动完成
   当你写了一个函数，用于通过一个远程API获取一个电子商务产品最新价格。因为这个 API 太耗时，你把它允许在一个独立的线程中，并且从你的函数中返回一个 Future。现在假设这个API服务宕机了，这时你想通过该产品的最新缓存价格手工完成这个Future 。你会发现无法这样做（CompletableFuture的complete方法可以手动完成）

2. Future 的结果在非阻塞的情况下，不能执行更进一步的操作 Future 不会通知你它已经完成了，它提供了一个阻塞的 get() 方法通知你结果。你无法给 Future 植入一个回调函数，当 Future 结果可用的时候，用该回调函数自动的调用 Future 的结果。
2. 多个 Future 不能串联在一起组成链式调用 有时候你需要执行一个长时间运行的计算任务，并且当计算任务完成的时候，你需要把它的计算结果发送给另外一个长时间运行的计算任务等等。你会发现你无法使用 Future 创建这样的一个工作流。（CompletableFuture的thenApply等方法可以链式操作）
3. 不能组合多个 Future 的结果 假设你有10个不同的Future，你想并行的运行，然后在它们运行未完成后运行一些函数。你会发现你也无法使用 Future 这样做。（allOf函数）
4. 没有异常处理 （CompletableFuture使用 exceptionally() 回调处理异常)
【Future详解】参考：https://juejin.im/post/6844904199625375757

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