java异步编程的 7 种方式
早期的系统是同步的,容易理解,我们来看个例子
同步编程
当用户创建一笔电商交易订单时,要经历的业务逻辑流程还是很长的,每一步都要耗费一定的时间,那么整体的RT就会比较长。
于是,聪明的人们开始思考能不能将一些非核心业务从主流程中剥离出来,于是有了异步编程
雏形。
异步编程是让程序并发运行的一种手段。它允许多个事件同时发生,当程序调用需要长时间运行的方法时,它不会阻塞当前的执行流程,程序可以继续运行。
核心思路:采用多线程优化性能,将串行操作变成并行操作。异步模式设计的程序可以显著减少线程等待,从而在高吞吐量场景中,极大提升系统的整体性能,显著降低时延。
接下来,我们来讲下异步有哪些编程实现方式
一、线程 Thread
直接继承 Thread类
是创建异步线程最简单的方式。
首先,创建Thread子类,普通类或匿名内部类方式;然后创建子类实例;最后通过start()方法启动线程。
public class AsyncThread extends Thread{@Overridepublic void run() {System.out.println("当前线程名称:" + this.getName() + ", 执行线程名称:" + Thread.currentThread().getName() + "-hello");}
}
public static void main(String[] args) {// 模拟业务流程// .......// 创建异步线程 AsyncThread asyncThread = new AsyncThread();// 启动异步线程asyncThread.start();
}
当然如果每次都创建一个 Thread线程
,频繁的创建、销毁,浪费系统资源。我们可以采用线程池
@Bean(name = "executorService")
public ExecutorService downloadExecutorService() {return new ThreadPoolExecutor(20, 40, 60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(2000),new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("defaultExecutorService-%d").build(),(r, executor) -> log.error("defaultExecutor pool is full! "));
}
将业务逻辑封装到 Runnable
或 Callable
中,交由 线程池
来执行
二、Future
上述方式虽然达到了多线程并行处理,但有些业务不仅仅要执行过程,还要获取执行结果。
Java 从1.5版本开始,提供了 Callable
和 Future
,可以在任务执行完毕之后得到任务执行结果。
当然也提供了其他功能,如:取消任务、查询任务是否完成等
Future类位于java.util.concurrent包下,接口定义:
public interface Future<V> {boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);boolean isCancelled();boolean isDone();V get() throws InterruptedException, ExecutionException;V get(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
方法描述:
cancel():取消任务,如果取消任务成功返回true,如果取消任务失败则返回false
isCancelled():表示任务是否被取消成功,如果在任务正常完成前被取消成功,则返回 true
isDone():表示任务是否已经完成,如果完成,返回true
get():获取执行结果,这个方法会产生阻塞,会一直等到任务执行完毕才返回
get(long timeout, TimeUnit unit):用来获取执行结果,如果在指定时间内,还没获取到结果,就直接返回null
代码示例:
public class CallableAndFuture {public static ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(4, 40,0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>(1024), new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("demo-pool-%d").build(), new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());static class MyCallable implements Callable<String> {@Overridepublic String call() throws Exception {return "异步处理,Callable 返回结果";}}public static void main(String[] args) {Future<String> future = executorService.submit(new MyCallable());try {System.out.println(future.get());} catch (Exception e) {// nodo} finally {executorService.shutdown();}}
}
Future 表示一个可能还没有完成的异步任务的结果,通过 get
方法获取执行结果,该方法会阻塞直到任务返回结果。
三、FutureTask
FutureTask
实现了 RunnableFuture
接口,则 RunnableFuture
接口继承了 Runnable
接口和 Future
接口,所以可以将 FutureTask
对象作为任务提交给 ThreadPoolExecutor
去执行,也可以直接被 Thread
执行;又因为实现了 Future
接口,所以也能用来获得任务的执行结果。
FutureTask 构造函数:
public FutureTask(Callable<V> callable)
public FutureTask(Runnable runnable, V result)
FutureTask 常用来封装 Callable
和 Runnable
,可以作为一个任务提交到线程池中执行。除了作为一个独立的类之外,也提供了一些功能性函数供我们创建自定义 task 类使用。
FutureTask 线程安全由CAS来保证。
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
// FutureTask包装callbale任务,再交给线程池执行
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(() -> {System.out.println("子线程开始计算:");Integer sum = 0;for (int i = 1; i <= 100; i++)sum += i;return sum;
});// 线程池执行任务, 运行结果在 futureTask 对象里面
executor.submit(futureTask);try {System.out.println("task运行结果计算的总和为:" + futureTask.get());
} catch (Exception e) {e.printStackTrace();
}
executor.shutdown();
Callable 和 Future 的区别:Callable 用于产生结果,Future 用于获取结果
如果是对多个任务多次自由串行、或并行组合,涉及多个线程之间同步阻塞获取结果,Future 代码实现会比较繁琐,需要我们手动处理各个交叉点,很容易出错。
四、异步框架 CompletableFuture
Future 类通过 get()
方法阻塞等待获取异步执行的运行结果,性能比较差。
JDK1.8 中,Java 提供了 CompletableFuture
类,它是基于异步函数式编程。相对阻塞式等待返回结果,CompletableFuture
可以通过回调的方式来处理计算结果,实现了异步非阻塞,性能更优。
优点:
异步任务结束时,会自动回调某个对象的方法
异步任务出错时,会自动回调某个对象的方法
主线程设置好回调后,不再关心异步任务的执行
泡茶示例:
(内容摘自:极客时间的《Java 并发编程实战》)
//任务1:洗水壶->烧开水
CompletableFuture<Void> f1 =CompletableFuture.runAsync(() -> {System.out.println("T1:洗水壶...");sleep(1, TimeUnit.SECONDS);System.out.println("T1:烧开水...");sleep(15, TimeUnit.SECONDS);});//任务2:洗茶壶->洗茶杯->拿茶叶
CompletableFuture<String> f2 =CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println("T2:洗茶壶...");sleep(1, TimeUnit.SECONDS);System.out.println("T2:洗茶杯...");sleep(2, TimeUnit.SECONDS);System.out.println("T2:拿茶叶...");sleep(1, TimeUnit.SECONDS);return "龙井";});//任务3:任务1和任务2完成后执行:泡茶
CompletableFuture<String> f3 =f1.thenCombine(f2, (__, tf) -> {System.out.println("T1:拿到茶叶:" + tf);System.out.println("T1:泡茶...");return "上茶:" + tf;});//等待任务3执行结果
System.out.println(f3.join());}
CompletableFuture 提供了非常丰富的API,大约有50种处理串行,并行,组合以及处理错误的方法。
五、 SpringBoot 注解 @Async
除了硬编码的异步编程处理方式,SpringBoot 框架还提供了 注解式
解决方案,以 方法体
为边界,方法体内部的代码逻辑全部按异步方式执行。
首先,使用 @EnableAsync
启用异步注解
@SpringBootApplication
@EnableAsync
public class StartApplication {public static void main(String[] args) {SpringApplication.run(StartApplication.class, args);}
}
自定义线程池:
@Configuration
@Slf4j
public class ThreadPoolConfiguration {@Bean(name = "defaultThreadPoolExecutor", destroyMethod = "shutdown")public ThreadPoolExecutor systemCheckPoolExecutorService() {return new ThreadPoolExecutor(3, 10, 60, TimeUnit.SECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>(10000),new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("default-executor-%d").build(),(r, executor) -> log.error("system pool is full! "));}
}
在异步处理的方法上添加注解 @Async
,当对 execute 方法
调用时,通过自定义的线程池 defaultThreadPoolExecutor
异步化执行 execute 方法
@Service
public class AsyncServiceImpl implements AsyncService {@Async("defaultThreadPoolExecutor")public Boolean execute(Integer num) {System.out.println("线程:" + Thread.currentThread().getName() + " , 任务:" + num);return true;}}
用 @Async 注解标记的方法,称为异步方法。在spring boot应用中使用 @Async 很简单:
调用异步方法类上或者启动类加上注解 @EnableAsync
在需要被异步调用的方法外加上 @Async
所使用的 @Async 注解方法的类对象应该是Spring容器管理的bean对象;
六、Spring ApplicationEvent 事件
事件机制在一些大型项目中被经常使用,Spring 专门提供了一套事件机制的接口,满足了架构原则上的解耦。
ApplicationContext
通过 ApplicationEvent
类和 ApplicationListener
接口进行事件处理。如果将实现 ApplicationListener
接口的 bean 注入到上下文中,则每次使用 ApplicationContext
发布 ApplicationEvent
时,都会通知该 bean。本质上,这是标准的观察者设计模式
。
ApplicationEvent 是由 Spring 提供的所有 Event 类的基类
首先,自定义业务事件子类,继承自 ApplicationEvent
,通过泛型注入业务模型参数类。相当于 MQ 的消息体。
public class OrderEvent extends AbstractGenericEvent<OrderModel> {public OrderEvent(OrderModel source) {super(source);}
}
然后,编写事件监听器。ApplicationListener
接口是由 Spring 提供的事件订阅者必须实现的接口,我们需要定义一个子类,继承 ApplicationListener
。相当于 MQ 的消费端
@Component
public class OrderEventListener implements ApplicationListener<OrderEvent> {@Overridepublic void onApplicationEvent(OrderEvent event) {System.out.println("【OrderEventListener】监听器处理!" + JSON.toJSONString(event.getSource()));}
}
最后,发布事件,把某个事件告诉所有与这个事件相关的监听器。相当于 MQ 的生产端。
OrderModel orderModel = new OrderModel();
orderModel.setOrderId((long) i);
orderModel.setBuyerName("Tom-" + i);
orderModel.setSellerName("judy-" + i);
orderModel.setAmount(100L);
// 发布Spring事件通知
SpringUtils.getApplicationContext().publishEvent(new OrderEvent(orderModel));
加个餐:
[消费端]线程:http-nio-8090-exec-1,消费事件 {"amount":100.0,"buyerName":"Tom-1","orderId":1,"sellerName":"judy-1"}
[生产端]线程:http-nio-8090-exec-1,发布事件 1
[消费端]线程:http-nio-8090-exec-1,消费事件 {"amount":100.0,"buyerName":"Tom-2","orderId":2,"sellerName":"judy-2"}
[生产端]线程:http-nio-8090-exec-1,发布事件 2
[消费端]线程:http-nio-8090-exec-1,消费事件 {"amount":100.0,"buyerName":"Tom-3","orderId":3,"sellerName":"judy-3"}
[生产端]线程:http-nio-8090-exec-1,发布事件 3
上面是跑了个demo的运行结果,我们发现无论生产端还是消费端,使用了同一个线程 http-nio-8090-exec-1
,Spring 框架的事件机制默认是同步阻塞的。只是在代码规范方面做了解耦,有较好的扩展性,但底层还是采用同步调用方式。
那么问题来了,如果想实现异步调用,如何处理?
我们需要手动创建一个 SimpleApplicationEventMulticaster
,并设置 TaskExecutor
,此时所有的消费事件采用异步线程执行。
@Component
public class SpringConfiguration {@Beanpublic SimpleApplicationEventMulticaster applicationEventMulticaster(@Qualifier("defaultThreadPoolExecutor") ThreadPoolExecutor defaultThreadPoolExecutor) {SimpleApplicationEventMulticaster simpleApplicationEventMulticaster = new SimpleApplicationEventMulticaster();simpleApplicationEventMulticaster.setTaskExecutor(defaultThreadPoolExecutor);return simpleApplicationEventMulticaster;}}
我们看下改造后的运行结果:
[生产端]线程:http-nio-8090-exec-1,发布事件 1
[生产端]线程:http-nio-8090-exec-1,发布事件 2
[生产端]线程:http-nio-8090-exec-1,发布事件 3
[消费端]线程:default-executor-1,消费事件 {"amount":100.0,"buyerName":"Tom-2","orderId":2,"sellerName":"judy-2"}
[消费端]线程:default-executor-2,消费事件 {"amount":100.0,"buyerName":"Tom-1","orderId":1,"sellerName":"judy-1"}
[消费端]线程:default-executor-0,消费事件 {"amount":100.0,"buyerName":"Tom-3","orderId":3,"sellerName":"judy-3"}
SimpleApplicationEventMulticaster
这个我们自己实例化的 Bean 与系统默认的加载顺序如何?会不会有冲突?
查了下 Spring 源码,处理逻辑在 AbstractApplicationContext#initApplicationEventMulticaster
方法中,通过 beanFactory 查找是否有自定义的 Bean,如果没有,容器会自己 new 一个 SimpleApplicationEventMulticaster
对象注入到容器中。
七、消息队列
异步架构是互联网系统中一种典型架构模式,与同步架构相对应。而消息队列天生就是这种异步架构,具有超高吞吐量和超低时延。
消息队列异步架构的主要角色包括消息生产者、消息队列和消息消费者。
消息生产者就是主应用程序,生产者将调用请求封装成消息发送给消息队列。
消息队列的职责就是缓冲消息,等待消费者消费。根据消费方式又分为点对点模式
和发布订阅模式
两种。
消息消费者,用来从消息队列中拉取、消费消息,完成业务逻辑处理。
当然市面上消息队列框架非常多,常见的有RabbitMQ、Kafka、RocketMQ、ActiveMQ 和 Pulsar 等
不同的消息队列的功能特性会略有不同,但整体架构类似,这里就不展开了。
我们只需要记住一个关键点,借助消息队列这个中间件可以高效的实现异步编程。
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