一 、認(rèn)識(shí)異步編程

通常Java開(kāi)發(fā)人員喜歡使用同步代碼編寫(xiě)程序,因?yàn)檫@種請(qǐng)求(request)/響應(yīng)(response)的方式比較簡(jiǎn)單，并且比較符合編程人員的思維習(xí)慣;這種做法很好，直到系統(tǒng)出現(xiàn)性能瓶頸；在同步編程方式時(shí)由于每個(gè)線程同時(shí)只能發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求并同步等待返回，所以為了提高系統(tǒng)性能，此時(shí)我們就需要引入更多的線程來(lái)實(shí)現(xiàn)并行化處理；但是多線程下對(duì)共享資源進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，不可避免會(huì)引入資源爭(zhēng)用和并發(fā)問(wèn)題；另外操作系統(tǒng)層面對(duì)線程的個(gè)數(shù)是有限制的，不可能通過(guò)無(wú)限的增加線程數(shù)來(lái)提供系統(tǒng)性能；最后使用同步阻塞的編程方式還會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)資源，比如發(fā)起網(wǎng)絡(luò)IO請(qǐng)求時(shí)候，調(diào)用線程就會(huì)處于同步阻塞等待響應(yīng)結(jié)果的狀態(tài)，而這時(shí)候調(diào)用線程明明可以去做其他事情，等網(wǎng)絡(luò)IO響應(yīng)結(jié)果返回后在對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理。

可見(jiàn)通過(guò)增加單機(jī)系統(tǒng)線程個(gè)數(shù)的并行編程方式并不是靈丹妙藥；通過(guò)編寫(xiě)異步、非阻塞的代碼，則可以使用相同的底層資源將執(zhí)行切換到另一個(gè)活動(dòng)任務(wù)，然后在異步處理完成后在返回到當(dāng)前線程進(jìn)行繼續(xù)處理，從而提高系統(tǒng)性能。

異步編程是可以讓程序并行運(yùn)行的一種手段，其可以讓程序中的一個(gè)工作單元與主應(yīng)用程序線程分開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行，并且等工作單元運(yùn)行結(jié)束后通知主應(yīng)用程序線程它的運(yùn)行結(jié)果或者失敗原因。使用它有許多好處，例如可以提高應(yīng)用程序的性能和響應(yīng)能力。

比如當(dāng)調(diào)用線程使用異步方式發(fā)起網(wǎng)絡(luò)IO請(qǐng)求后，調(diào)用線程就不會(huì)同步阻塞等待響應(yīng)結(jié)果，而是在內(nèi)存保存請(qǐng)求上下文后，會(huì)馬上返回后做其他事情，等網(wǎng)絡(luò)IO響應(yīng)結(jié)果返回后在使用IO線程通知業(yè)務(wù)線程響應(yīng)結(jié)果已經(jīng)返回，然后業(yè)務(wù)線程在對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理。可知異步調(diào)用方式提高了線程的利用率，讓系統(tǒng)有更多的線程資源來(lái)處理更多的請(qǐng)求。

比如在移動(dòng)應(yīng)用程序中，在用戶操作移動(dòng)設(shè)備屏幕發(fā)起請(qǐng)求后，如果是同步等待后臺(tái)服務(wù)器返回結(jié)果，則當(dāng)后臺(tái)服務(wù)操作非常耗時(shí)時(shí)，就會(huì)造成用戶看到移動(dòng)設(shè)備屏幕凍結(jié)（一直處理請(qǐng)求處理中），在結(jié)果返回前，用戶不能操作移動(dòng)設(shè)備的其他功能，這對(duì)用戶體驗(yàn)非常不好。而使用異步編程則當(dāng)發(fā)起請(qǐng)求后，調(diào)用線程會(huì)馬上返回，具體返回結(jié)果則會(huì)通過(guò)UI線程異步進(jìn)行渲染，而在這期間用戶可以使用移動(dòng)設(shè)備的其他功能。

二、 異步編程場(chǎng)景概述

在日常開(kāi)發(fā)中我們經(jīng)常會(huì)遇到這樣的情況，就是需要異步的處理一些事情，而不需要知道異步任務(wù)的結(jié)果；比如在調(diào)用線程里面異步打日志，為了不讓日志打印阻塞調(diào)用線程，會(huì)把日志設(shè)置為異步方式。如下圖1-2-1日志異步化打印，使用一個(gè)內(nèi)存隊(duì)列把日志打印異步化，使用單一線程來(lái)消費(fèi)隊(duì)列里面日志事件執(zhí)行具體的日志落盤操作（本質(zhì)是一個(gè)多生產(chǎn)單消費(fèi)模型），這種情況下調(diào)用線程把日志任務(wù)放入隊(duì)列后就繼續(xù)去干自己的事情了，而不再關(guān)心日志任務(wù)具體是什么時(shí)候入盤的；

圖 1-2-1 日志異步打印

在Java中每當(dāng)我們需要執(zhí)行異步任務(wù)的時(shí)候我們可以直接開(kāi)啟一個(gè)線程來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以把異步任務(wù)封裝為任務(wù)對(duì)象投遞到線程池里面來(lái)執(zhí)行，在Spring框架中則提供了@Async注解把一個(gè)任務(wù)異步化來(lái)進(jìn)行處理，這些內(nèi)容會(huì)在后面章節(jié)具體講解。

另外有時(shí)候我們還需要在主線程等待異步任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，這時(shí)候Future就排上用場(chǎng)了；比如調(diào)用線程要等執(zhí)行任務(wù)A執(zhí)行完畢后在順序執(zhí)行任務(wù)B，并且把兩者結(jié)果拼接起來(lái)作為前端展示使用，如果調(diào)用線程是同步調(diào)用兩次查詢（如下圖1-2-2同步調(diào)用），則整個(gè)過(guò)程耗時(shí)時(shí)間為執(zhí)行任務(wù)A的耗時(shí)加上執(zhí)行任務(wù)B的耗時(shí)。

圖1-2-2 同步調(diào)用

如果使用異步編程（如下圖1-2-3）則可以在調(diào)用線程內(nèi)開(kāi)啟一個(gè)異步運(yùn)行單元來(lái)執(zhí)行任務(wù)A，開(kāi)啟異步運(yùn)行單元后調(diào)用線程會(huì)馬上返回一個(gè)Future對(duì)象（futureB），然后調(diào)用線程本身來(lái)執(zhí)行任務(wù)B，等任務(wù)B執(zhí)行完畢后，調(diào)用線程可以調(diào)用futureB的get（）方法獲取任務(wù)A的執(zhí)行結(jié)果，最后在拼接兩者結(jié)果。這時(shí)由于任務(wù)A和任務(wù)B是并行運(yùn)行的，所以整個(gè)過(guò)程耗時(shí)為max(調(diào)用線程執(zhí)行任務(wù)B耗時(shí)，異步運(yùn)行單元執(zhí)行任務(wù)A耗時(shí)）。

圖1-2-3 異步調(diào)用

可見(jiàn)整個(gè)過(guò)程耗時(shí)有顯著縮短，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)頁(yè)面響應(yīng)時(shí)間會(huì)更短，對(duì)用戶體驗(yàn)會(huì)更好，其中異步單元的執(zhí)行一般是線程池中的線程。

使用Future確實(shí)可以獲取異步任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，但是獲取其結(jié)果還是會(huì)阻塞調(diào)用線程的，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全異步化處理，在JDK8中提供了CompletableFuture來(lái)彌補(bǔ)了其缺點(diǎn)。CompletableFuture類允許以非阻塞方式和基于通知的方式處理結(jié)果，其通過(guò)設(shè)置回調(diào)函數(shù)方式，讓主線程徹底解放出來(lái)，做自己的事情，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際意義上的異步處理；

如下圖1-2-4使用CompletableFuture時(shí)候當(dāng)異步單元返回futureB后，調(diào)用線程可以在其上調(diào)用whenComplete方法設(shè)置一個(gè)回調(diào)函數(shù)action,然后調(diào)用線程就會(huì)馬上返回了，等異步任務(wù)執(zhí)行完畢后會(huì)使用異步線程來(lái)執(zhí)行回調(diào)函數(shù)action，而無(wú)需調(diào)用線程干預(yù)，如果你對(duì)CompletableFuture不了解，沒(méi)關(guān)系，后面章節(jié)我們會(huì)詳細(xì)講解，這里你只需要知道其解決了傳統(tǒng)Future的缺陷就可以了。

圖1-2-4 CompletableFuture異步執(zhí)行

JDK8還引入了Stream，它旨在有效地處理數(shù)據(jù)流（包括原始類型），其使用聲明式編程讓我們可以寫(xiě)出可讀性、可維護(hù)性很強(qiáng)的代碼，并且結(jié)合CompletableFuture可以完美的實(shí)現(xiàn)異步編程。但是它產(chǎn)生的流只能使用一次，并且缺少與時(shí)間相關(guān)的操作（例如RxJava中的基于時(shí)間窗口的緩存元素），雖然可以執(zhí)行并行計(jì)算，但無(wú)法指定要使用的線程池。并且它還沒(méi)有設(shè)計(jì)用于處理延遲的操作（例如RxJava中的defer操作）；而Reactor或RxJava等Reactive API就是為了解決這些問(wèn)題而生的。

Reactor或RxJava等反應(yīng)式API也提供Java 8 Stream的運(yùn)算符，但它們更適用于任何流序列（不僅僅是集合），并允許定義一個(gè)轉(zhuǎn)換操作的管道，該管道將應(yīng)用于通過(guò)它的數(shù)據(jù)，這要?dú)w功于方便的流暢API和Lambda表達(dá)式的使用。Reactive旨在處理同步或異步操作，并允許您緩沖（buffer）、合并（merge）、連接(join) 元素等對(duì)元素做各種轉(zhuǎn)換。

上面我們講解了單JVM內(nèi)的異步編程，那么對(duì)于跨網(wǎng)絡(luò)的交互是否也存在異步編程范疇那？對(duì)于網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求來(lái)說(shuō)，同步調(diào)用時(shí)比較直截了當(dāng)?shù)?#xff0c;比如我們?cè)谝粋€(gè)線程A中通過(guò)RPC請(qǐng)求獲取服務(wù)B和服務(wù)C的數(shù)據(jù)，然后基于兩者結(jié)果做一些事情。在同步調(diào)用情況下，線程A需要調(diào)用服務(wù)B，然后需要同步等待服務(wù)B結(jié)果返回后，才可以對(duì)服務(wù)C發(fā)起調(diào)用，然后等服務(wù)C結(jié)果返回后才可以結(jié)合服務(wù)B和C的結(jié)果做一件事,如下圖1-2-5：

圖1-2-5 同步RPC調(diào)用

如上圖1-2-5線程A同步獲取服務(wù)B結(jié)果后，在同步調(diào)用服務(wù)C獲取結(jié)果，可見(jiàn)在同步調(diào)用情況下業(yè)務(wù)執(zhí)行語(yǔ)義比較清晰，線程A順序的對(duì)多個(gè)服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行調(diào)用；但是同步調(diào)用意味著當(dāng)前發(fā)起請(qǐng)求的調(diào)用線程在遠(yuǎn)端機(jī)器返回結(jié)果前必須阻塞等待，這明顯很浪費(fèi)資源。好的做法應(yīng)該是發(fā)起請(qǐng)求的調(diào)用線程發(fā)起請(qǐng)求后，注冊(cè)一個(gè)回調(diào)函數(shù)，然后馬上返回去做其他事情，當(dāng)遠(yuǎn)端把結(jié)果返回后在使用IO線程執(zhí)行回調(diào)函數(shù)。

那么如何實(shí)現(xiàn)異步調(diào)用？在Java中NIO的出現(xiàn)讓實(shí)現(xiàn)上面的功能變得簡(jiǎn)單，而高性能異步、基于事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)編程框架Netty的出現(xiàn)讓我們從編寫(xiě)繁雜的Java NIO程序出解放出來(lái)了，現(xiàn)在的RPC框架比如Dubbo底層網(wǎng)絡(luò)通信就是基于Netty實(shí)現(xiàn)的;Netty框架將網(wǎng)絡(luò)編程邏輯與業(yè)務(wù)邏輯處理分離開(kāi)來(lái)，其內(nèi)部幫我們自動(dòng)處理好網(wǎng)絡(luò)與異步處理邏輯，讓我們專心寫(xiě)自己的業(yè)務(wù)處理邏輯，Netty的異步非阻塞能力與CompletableFuture結(jié)合就可以輕松的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的異步調(diào)用。

在執(zhí)行RPC(遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用)調(diào)用時(shí)候，使用異步編程可以提高系統(tǒng)的性能；如下圖1-2-6，在異步調(diào)用情況下，當(dāng)線程A調(diào)用服務(wù)B后，馬上會(huì)返回一個(gè)異步的futureB對(duì)象，然后線程A可以在futureB上設(shè)置一個(gè)回調(diào)函數(shù)；然后線程A可以繼續(xù)訪問(wèn)服務(wù)C，也會(huì)馬上返回一個(gè)futureC對(duì)象，然后線程A可以在futureC上設(shè)置一個(gè)回調(diào)函數(shù)：

圖1-2-6 RPC異步調(diào)用

如上圖1-2-6可知異步調(diào)用情況下線程A可以并發(fā)的調(diào)用服務(wù)B和服務(wù)C，而不再是順序的，由于服務(wù)B和服務(wù)C是并發(fā)運(yùn)行，所以相比線程A同步調(diào)用，線程A獲取到服務(wù)B和服務(wù)C結(jié)果的時(shí)間會(huì)縮短很多（同步調(diào)用情況下耗時(shí)時(shí)間為服務(wù)B和服務(wù)C返回結(jié)果耗時(shí)的和，異步調(diào)用時(shí)候耗時(shí)為max(服務(wù)B耗時(shí)，服務(wù)C耗時(shí)））；另外這里可以借助CompletableFuture的能力等兩次RPC調(diào)用都異步返回結(jié)果后做一件事情，這時(shí)候調(diào)用流程如下圖圖1-2-7：

圖1-2-7 合并Rpc調(diào)用結(jié)果

如上圖圖1-2-7調(diào)用線程A首先發(fā)起服務(wù)B的遠(yuǎn)程調(diào)用，然后馬上返回一個(gè)futureB對(duì)象，然后發(fā)起服務(wù)C的遠(yuǎn)程調(diào)用，然后馬上返回一個(gè)futureC對(duì)象，最后調(diào)用線程A使用代碼futureB.thenCombine(futureC,action)等f(wàn)utureB和futureC結(jié)果可用時(shí)候執(zhí)行回調(diào)函數(shù)action；這里我們只是簡(jiǎn)單的概述下基于Netty的異步非阻塞能力以及CompletableFuture的可編排能力，我們可以實(shí)現(xiàn)功能很強(qiáng)大的異步編程能力，后面章節(jié)我們會(huì)以Dubbo框架為例講解其借助Netty的非阻塞異步API實(shí)現(xiàn)了服務(wù)消費(fèi)端的異步調(diào)用。

其實(shí)有了CompletableFuture實(shí)現(xiàn)異步編程，我們可以很自然的使用適配器來(lái)實(shí)現(xiàn)Reactive風(fēng)格的編程，當(dāng)我們使用RxJava API時(shí)候我們只需要使用Flowable的一些函數(shù)轉(zhuǎn)換CompletableFuture為Flowable對(duì)象即可，這個(gè)我們?cè)诤竺嬲鹿?jié)也會(huì)講述。

上節(jié)講解了網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求中的RPC框架的異步請(qǐng)求，其實(shí)還有一類，也就是Web請(qǐng)求，在Web應(yīng)用中Servlet占有一席之地。在Servlet3.0規(guī)范前，Servlet容器對(duì)Servlet的處理都是每個(gè)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一個(gè)線程這種1：1的模式進(jìn)行處理的（如下圖1-2-8），每當(dāng)來(lái)一個(gè)請(qǐng)求時(shí)候都會(huì)開(kāi)啟一個(gè)Servlet容器內(nèi)的線程來(lái)進(jìn)行處理，如果Servlet內(nèi)處理比較耗時(shí)，則會(huì)把Servlet容器內(nèi)線程使用耗盡，然后容器就不能再處理新的請(qǐng)求。

圖1-2-8 Servlet的阻塞處理模型

Servlet3.0規(guī)范中則提供了異步處理的能力，讓Servlet容器中的線程可以及時(shí)釋放，具體Servlet業(yè)務(wù)處理邏輯是在業(yè)務(wù)自己線程池內(nèi)來(lái)處理；雖然Servlet3.0規(guī)范讓Servlet的執(zhí)行變?yōu)榱水惒?#xff0c;但是其IO還是阻塞式的，IO阻塞是說(shuō)在Servlet處理請(qǐng)求時(shí)候從ServletInputStream中讀取請(qǐng)求體時(shí)候是阻塞的，而我們想要的是當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒時(shí)候通知我們?nèi)プx取就可以了，因?yàn)檫@可以避免占用我們自己的線程來(lái)進(jìn)行阻塞讀取，Servlet3.1規(guī)范則提供了非阻塞IO來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

雖然Servlet技術(shù)棧的不斷發(fā)展實(shí)現(xiàn)了異步處理與非阻塞IO，但是其異步是不徹底的，因?yàn)槭苤朴赟ervlet規(guī)范本身，比如其規(guī)范是同步的（Filter，Servlet）或阻塞（getParameter，getPart）。所以新的使用少量線程和較少的硬件資源來(lái)處理并發(fā)的非阻塞Web技術(shù)棧應(yīng)運(yùn)而生-WebFlux,其是與Servlet技術(shù)棧并行存在的一種新的技術(shù)，其基于JDK8函數(shù)式編程與Netty實(shí)現(xiàn)天然的異步、非阻塞處理，這些我們?cè)诤竺嬲鹿?jié)會(huì)具體介紹。

另外為了更好的處理異步編程，降低我們異步編程的成本，一些框架也應(yīng)運(yùn)而生，比如高性能線程間消息傳遞庫(kù)Disruptor，其通過(guò)為事件（events）預(yù)先分配內(nèi)存、無(wú)鎖CAS算法、緩沖行填充、兩階段協(xié)議提交來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程并發(fā)的處理不同的元素，從而實(shí)現(xiàn)高性能的異步處理；比如Akka其基于Actor模式實(shí)現(xiàn)了天然支持分布式的使用消息進(jìn)行異步處理的服務(wù)；比如高性能分布式消息中間件Apache RocketMetaQ用來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用間的異步解耦、流量削峰。

一些新興的語(yǔ)言對(duì)異步處理的支持能力讓我們?nèi)滩蛔》Q贊，GoLang就是其中之一，其通過(guò)語(yǔ)言層面內(nèi)置的goroutine與channel可以輕松的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的異步處理能力。

《Java異步編程實(shí)戰(zhàn)》)，一書(shū)則是根據(jù)上述介紹的次序，把內(nèi)容劃分了若干章節(jié)，每章則具體展開(kāi)討論相應(yīng)的異步編程技術(shù)。

三、 為何寫(xiě)作本書(shū)

異步編程是可以讓程序并行運(yùn)行的一種手段，其可以讓程序中的一個(gè)工作單元與主應(yīng)用程序線程分開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行，使用它有許多好處，例如可以提高應(yīng)用程序的性能和響應(yīng)能力。

雖然Java中不同技術(shù)域提供了相應(yīng)的異步編程技術(shù)，但是對(duì)異步編程技術(shù)的描述散落到了不同技術(shù)域的技術(shù)文檔中，并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的地方對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行梳理歸納。另外這些技術(shù)之間是什么關(guān)系，各自的出現(xiàn)都是為了解決什么問(wèn)題，我們也很難找到資料來(lái)解釋。

本書(shū)的出現(xiàn)則是為了打破這種局面，本書(shū)旨在把Java中相關(guān)的異步編程技術(shù)進(jìn)行歸納分類總結(jié)，然后呈現(xiàn)給大家，讓大家可以有一個(gè)統(tǒng)一的地方來(lái)查看與探究。

四、本書(shū)特色

本書(shū)涵蓋了Java中常見(jiàn)的異步編程場(chǎng)景，這包含單JVM內(nèi)的異步編程、以及跨主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊的遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用的異步調(diào)用與異步處理、以及Web請(qǐng)求的異步處理等等。

本書(shū)在講解Java中每種異步編程技術(shù)時(shí)都附有案例，以便理論與實(shí)踐進(jìn)行結(jié)合。

本書(shū)在講解每種異步編程技術(shù)時(shí)大多都會(huì)對(duì)其實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行講解，以便讓讀者知其然也知其所以然。

本書(shū)對(duì)最近比較火的反應(yīng)式編程以及WebFlux的使用與原理解析有一定深入的探索。

五、 業(yè)界推薦

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的认识Java异步编程的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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