異步編程的幾種種實(shí)現(xiàn)方式（上）

早期的系統(tǒng)是同步的，容易理解，我們來(lái)看個(gè)例子

同步編程

當(dāng)用戶創(chuàng)建一筆電商交易訂單時(shí)，要經(jīng)歷的業(yè)務(wù)邏輯流程還是很長(zhǎng)的，每一步都要耗費(fèi)一定的時(shí)間，那么整體的RT就會(huì)比較長(zhǎng)。

于是，聰明的人們開始思考能不能將一些非核心業(yè)務(wù)從主流程中剝離出來(lái)，于是有了異步編程雛形。

異步編程是讓程序并發(fā)運(yùn)行的一種手段。它允許多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，當(dāng)程序調(diào)用需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的方法時(shí)，它不會(huì)阻塞當(dāng)前的執(zhí)行流程，程序可以繼續(xù)運(yùn)行。

核心思路：采用多線程優(yōu)化性能，將串行操作變成并行操作。異步模式設(shè)計(jì)的程序可以顯著減少線程等待，從而在高吞吐量場(chǎng)景中，極大提升系統(tǒng)的整體性能，顯著降低時(shí)延。

接下來(lái)，我們來(lái)講下異步有哪些編程實(shí)現(xiàn)方式

一、線程 Thread

直接繼承 Thread類 是創(chuàng)建異步線程最簡(jiǎn)單的方式。

首先，創(chuàng)建Thread子類，普通類或匿名內(nèi)部類方式；然后創(chuàng)建子類實(shí)例；最后通過(guò)start()方法啟動(dòng)線程。

public class AsyncThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("當(dāng)前線程名稱:" + this.getName() + ", 執(zhí)行線程名稱:" + Thread.currentThread().getName() + "-hello");
    }
}

public static void main(String[] args) {

  // 模擬業(yè)務(wù)流程
  // .......
  
    // 創(chuàng)建異步線程 
    AsyncThread asyncThread = new AsyncThread();

    // 啟動(dòng)異步線程
    asyncThread.start();
}

當(dāng)然如果每次都創(chuàng)建一個(gè) Thread線程，頻繁的創(chuàng)建、銷毀，浪費(fèi)系統(tǒng)資源。我們可以采用線程池

@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! "));
}

將業(yè)務(wù)邏輯封裝到 Runnable 或 Callable 中，交由 線程池 來(lái)執(zhí)行

二、Future

上述方式雖然達(dá)到了多線程并行處理，但有些業(yè)務(wù)不僅僅要執(zhí)行過(guò)程，還要獲取執(zhí)行結(jié)果。

Java 從1.5版本開始，提供了 Callable 和 Future，可以在任務(wù)執(zhí)行完畢之后得到任務(wù)執(zhí)行結(jié)果。

當(dāng)然也提供了其他功能，如：取消任務(wù)、查詢?nèi)蝿?wù)是否完成等

Future類位于java.util.concurrent包下，接口定義：

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()：取消任務(wù)，如果取消任務(wù)成功返回true，如果取消任務(wù)失敗則返回false
• isCancelled()：表示任務(wù)是否被取消成功，如果在任務(wù)正常完成前被取消成功，則返回 true
• isDone()：表示任務(wù)是否已經(jīng)完成，如果完成，返回true
• get()：獲取執(zhí)行結(jié)果，這個(gè)方法會(huì)產(chǎn)生阻塞，會(huì)一直等到任務(wù)執(zhí)行完畢才返回
• get(long timeout, TimeUnit unit)：用來(lái)獲取執(zhí)行結(jié)果，如果在指定時(shí)間內(nèi)，還沒獲取到結(jié)果，就直接返回null

代碼示例：

public class CallableAndFuture {

    public static ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(4, 40,
            0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
            new LinkedBlockingQueue(1024), new ThreadFactoryBuilder()
            .setNameFormat("demo-pool-%d").build(), new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());


    static class MyCallable implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            return "異步處理，Callable 返回結(jié)果";
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Future future = executorService.submit(new MyCallable());
        try {
            System.out.println(future.get());
        } catch (Exception e) {
            // nodo
        } finally {
            executorService.shutdown();
        }
    }
}

Future 表示一個(gè)可能還沒有完成的異步任務(wù)的結(jié)果，通過(guò) get 方法獲取執(zhí)行結(jié)果，該方法會(huì)阻塞直到任務(wù)返回結(jié)果。

三、FutureTask

FutureTask 實(shí)現(xiàn)了 RunnableFuture 接口，則 RunnableFuture 接口繼承了 Runnable 接口和 Future 接口，所以可以將 FutureTask 對(duì)象作為任務(wù)提交給 ThreadPoolExecutor 去執(zhí)行，也可以直接被 Thread 執(zhí)行；又因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了 Future 接口，所以也能用來(lái)獲得任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。

FutureTask 構(gòu)造函數(shù)：

public FutureTask(Callable callable)
public FutureTask(Runnable runnable, V result)

FutureTask 常用來(lái)封裝 Callable 和 Runnable，可以作為一個(gè)任務(wù)提交到線程池中執(zhí)行。除了作為一個(gè)獨(dú)立的類之外，也提供了一些功能性函數(shù)供我們創(chuàng)建自定義 task 類使用。

FutureTask 線程安全由CAS來(lái)保證。

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
// FutureTask包裝callbale任務(wù)，再交給線程池執(zhí)行
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(() -> {
    System.out.println("子線程開始計(jì)算：");
    Integer sum = 0;
    for (int i = 1; i <= 100; i++)
        sum += i;
    return sum;
});

// 線程池執(zhí)行任務(wù)， 運(yùn)行結(jié)果在 futureTask 對(duì)象里面
executor.submit(futureTask);

try {
    System.out.println("task運(yùn)行結(jié)果計(jì)算的總和為：" + futureTask.get());
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}
executor.shutdown();

Callable 和 Future 的區(qū)別：Callable 用于產(chǎn)生結(jié)果，F(xiàn)uture 用于獲取結(jié)果

如果是對(duì)多個(gè)任務(wù)多次自由串行、或并行組合，涉及多個(gè)線程之間同步阻塞獲取結(jié)果，F(xiàn)uture 代碼實(shí)現(xiàn)會(huì)比較繁瑣，需要我們手動(dòng)處理各個(gè)交叉點(diǎn)，很容易出錯(cuò)。

四、異步框架 CompletableFuture

Future 類通過(guò) get() 方法阻塞等待獲取異步執(zhí)行的運(yùn)行結(jié)果，性能比較差。

JDK1.8 中，Java 提供了 CompletableFuture 類，它是基于異步函數(shù)式編程。相對(duì)阻塞式等待返回結(jié)果，CompletableFuture 可以通過(guò)回調(diào)的方式來(lái)處理計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了異步非阻塞，性能更優(yōu)。

優(yōu)點(diǎn) ：

• 異步任務(wù)結(jié)束時(shí)，會(huì)自動(dòng)回調(diào)某個(gè)對(duì)象的方法
• 異步任務(wù)出錯(cuò)時(shí)，會(huì)自動(dòng)回調(diào)某個(gè)對(duì)象的方法
• 主線程設(shè)置好回調(diào)后，不再關(guān)心異步任務(wù)的執(zhí)行

泡茶示例：

(內(nèi)容摘自：極客時(shí)間的《Java 并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》)

//任務(wù)1：洗水壺->燒開水
CompletableFuture<Void> f1 =
        CompletableFuture.runAsync(() -> {
            System.out.println("T1:洗水壺...");
            sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

            System.out.println("T1:燒開水...");
            sleep(15, TimeUnit.SECONDS);
        });

//任務(wù)2：洗茶壺->洗茶杯->拿茶葉
CompletableFuture f2 =
        CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("T2:洗茶壺...");
            sleep(1, TimeUnit.SECONDS);

            System.out.println("T2:洗茶杯...");
            sleep(2, TimeUnit.SECONDS);

            System.out.println("T2:拿茶葉...");
            sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
            return "龍井";
        });

//任務(wù)3：任務(wù)1和任務(wù)2完成后執(zhí)行：泡茶
CompletableFuture f3 =
        f1.thenCombine(f2, (__, tf) -> {
            System.out.println("T1:拿到茶葉:" + tf);
            System.out.println("T1:泡茶...");
            return "上茶:" + tf;
        });

//等待任務(wù)3執(zhí)行結(jié)果
System.out.println(f3.join());

}

CompletableFuture 提供了非常豐富的API，大約有50種處理串行，并行，組合以及處理錯(cuò)誤的方法。