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非同步程式設計的幾種方式,你知道幾種?

Java后端技术全栈

Aug 15, 2023 pm 04:14 PM

非同步程式設計（asynchronous programming）

非同步執行對開發者來說並不陌生，在實際的開發過程中，許多場景多會使用到非同步，相較同步執行，非同步可以大幅縮短請求連結耗時時間。

例如：「傳送簡訊、郵件、非同步更新等」，這些都是典型的可以透過非同步實現的場景。

異步的8種實作方式

1、執行緒Thread

2、Future

3、非同步框架CompletableFuture

4、Spring註解@Async

5、Spring ApplicationEvent事件

6、訊息佇列

7 、第三方非同步框架，例如Hutool的ThreadUtil

8、Guava非同步

什麼是非同步？

首先我們先來看一個常見的使用者下單的場景：

#什麼是非同步？

在同步操作中，我們執行到發送簡訊 的時候，我們必須等待這個方法徹底執行完才能執行贈送積分 這個操作，如果贈送積分 這個動作執行時間較長，發送簡訊需要等待，這就是典型的同步場景。

實際上，發送簡訊和贈送積分沒有任何的依賴關係，透過異步，我們可以實現贈送積分和發送簡訊這兩個操作能夠同時進行，例如：

這就是所謂的非同步，是不是非常簡單，以下就來談談異步的幾種實作方式吧。

非同步具體實作

#1、執行緒異步

public class AsyncThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Current thread name:" + Thread.currentThread().getName() + " Send email success!");
    }

    public static void main(String[] args) {
        AsyncThread asyncThread = new AsyncThread();
        asyncThread.start();
    }
}

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當然如果每次都創建一個Thread線程，頻繁的創建、銷毀，浪費系統資源，我們可以採用線程池：

private ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

public void fun() {
    executorService.submit(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            log.info("执行业务逻辑...");
        }
    });
}

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可以將業務邏輯封裝到Runnable或Callable中，交由線程池來執行。

2、 Future非同步

@Slf4j
public class FutureManager {


    public String execute() throws Exception {


        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
        Future<String> future = executor.submit(new Callable<String>() {
            @Override
            public String call() throws Exception {


                System.out.println(" --- task start --- ");
                Thread.sleep(3000);
                System.out.println(" --- task finish ---");
                return "this is future execute final result!!!";
            }
        });


        //这里需要返回值时会阻塞主线程
        String result = future.get();
        log.info("Future get result: {}", result);
        return result;
    }


    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        FutureManager manager = new FutureManager();
        manager.execute();
    }
}

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輸出結果：

--- task start --- 
 --- task finish ---
 Future get result: this is future execute final result!!!

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（1） Future的不足之處

Future的不足之處的包括以下幾點：

無法被動接收非同步任務的計算結果：雖然我們可以主動將非同步任務提交給執行緒池中的執行緒來執行，但是待非同步任務執行結束之後，主執行緒無法得到任務完成與否的通知，它需要透過get方法主動取得任務執行的結果。

Future件彼此孤立：有時某一個耗時很長的非同步任務執行結束之後，你想利用它返回的結果再做進一步的運算，該運算也會是一個非同步任務，兩者之間的關係需要程式開發人員手動進行綁定賦予，Future並不能將其形成一個任務流（pipeline），每一個Future都是彼此之間都是孤立的，所以才有了後面的CompletableFuture，CompletableFuture就可以將多個Future串連起來形成任務流程。

Futrue沒有很好的錯誤處理機制：截止目前，如果某個非同步任務在執行發的過程中發生了異常，呼叫者無法被動感知，必須透過捕捉get方法的異常才知道非同步任務執行是否出現了錯誤，從而在做進一步的判斷處理。

3、CompletableFuture實作非同步

public class CompletableFutureCompose {
    /**
     * thenAccept子任务和父任务公用同一个线程
     */
    @SneakyThrows
    public static void thenRunAsync() {
        CompletableFuture<Integer> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread() + " cf1 do something....");
            return 1;
        });
        CompletableFuture<Void> cf2 = cf1.thenRunAsync(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread() + " cf2 do something...");
        });
        //等待任务1执行完成
        System.out.println("cf1结果->" + cf1.get());
        //等待任务2执行完成
        System.out.println("cf2结果->" + cf2.get());
    }

    public static void main(String[] args) {
        thenRunAsync();
    }
}

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我們不需要明確使用ExecutorService，CompletableFuture 內部使用了ForkJoinPool來處理非同步任務，如果在某些業務場景我們想自訂自己的非同步線程池也是可以的。

4、Spring的@Async非同步

（1）自訂非同步執行緒池

/**
 * 线程池参数配置，多个线程池实现线程池隔离，@Async注解，默认使用系统自定义线程池，可在项目中设置多个线程池，在异步调用的时候，指明需要调用的线程池名称，比如：@Async("taskName")
@EnableAsync
@Configuration
public class TaskPoolConfig {
    /**
     * 自定义线程池
     *
     **/
    @Bean("taskExecutor")
    public Executor taskExecutor() {
        //返回可用处理器的Java虚拟机的数量 12
        int i = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
        System.out.println("系统最大线程数  ：" + i);
        ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
        //核心线程池大小
        executor.setCorePoolSize(16);
        //最大线程数
        executor.setMaxPoolSize(20);
        //配置队列容量，默认值为Integer.MAX_VALUE
        executor.setQueueCapacity(99999);
        //活跃时间
        executor.setKeepAliveSeconds(60);
        //线程名字前缀
        executor.setThreadNamePrefix("asyncServiceExecutor -");
        //设置此执行程序应该在关闭时阻止的最大秒数，以便在容器的其余部分继续关闭之前等待剩余的任务完成他们的执行
        executor.setAwaitTerminationSeconds(60);
        //等待所有的任务结束后再关闭线程池
        executor.setWaitForTasksToCompleteOnShutdown(true);
        return executor;
    }
}

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（ 2) AsyncService

public interface AsyncService {

    MessageResult sendSms(String callPrefix, String mobile, String actionType, String content);

    MessageResult sendEmail(String email, String subject, String content);
}

@Slf4j
@Service
public class AsyncServiceImpl implements AsyncService {
    @Autowired
    private IMessageHandler mesageHandler;

    @Override
    @Async("taskExecutor")
    public MessageResult sendSms(String callPrefix, String mobile, String actionType, String content) {
        try {


            Thread.sleep(1000);
            mesageHandler.sendSms(callPrefix, mobile, actionType, content);


        } catch (Exception e) {
            log.error("发送短信异常 -> ", e)
        }
    }
    
    @Override
    @Async("taskExecutor")
    public sendEmail(String email, String subject, String content) {
        try {

            Thread.sleep(1000);
            mesageHandler.sendsendEmail(email, subject, content);

        } catch (Exception e) {
            log.error("发送email异常 -> ", e)
        }
    }
}

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在實際專案中，使用 @Async呼叫執行緒池，推薦等方式是使用自訂執行緒池的模式，不建議直接使用@Async直接實現非同步。

5、Spring ApplicationEvent事件實作非同步

（1）定义事件

public class AsyncSendEmailEvent extends ApplicationEvent {
    /**
     * 邮箱
     **/
    private String email;
   /**
     * 主题
     **/
    private String subject;
    /**
     * 内容
     **/
    private String content;
  
    /**
     * 接收者
     **/
    private String targetUserId;

}

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（2）定义事件处理器

@Slf4j
@Component
public class AsyncSendEmailEventHandler implements ApplicationListener<AsyncSendEmailEvent> {

    @Autowired
    private IMessageHandler mesageHandler;
    
    @Async("taskExecutor")
    @Override
    public void onApplicationEvent(AsyncSendEmailEvent event) {
        if (event == null) {
            return;
        }

        String email = event.getEmail();
        String subject = event.getSubject();
        String content = event.getContent();
        String targetUserId = event.getTargetUserId();
        mesageHandler.sendsendEmailSms(email, subject, content, targerUserId);
      }
}

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另外，可能有些时候采用ApplicationEvent实现异步的使用，当程序出现异常错误的时候，需要考虑补偿机制，那么这时候可以结合Spring Retry重试来帮助我们避免这种异常造成数据不一致问题。

6、消息队列

（1）回调事件消息生产者

@Slf4j
@Component
public class CallbackProducer {

    @Autowired
    AmqpTemplate amqpTemplate;

    public void sendCallbackMessage(CallbackDTO allbackDTO, final long delayTimes) {

        log.info("生产者发送消息，callbackDTO，{}", callbackDTO);

        amqpTemplate.convertAndSend(CallbackQueueEnum.QUEUE_GENSEE_CALLBACK.getExchange(), CallbackQueueEnum.QUEUE_GENSEE_CALLBACK.getRoutingKey(), JsonMapper.getInstance().toJson(genseeCallbackDTO), new MessagePostProcessor() {
            @Override
            public Message postProcessMessage(Message message) throws AmqpException {
                //给消息设置延迟毫秒值，通过给消息设置x-delay头来设置消息从交换机发送到队列的延迟时间
                message.getMessageProperties().setHeader("x-delay", delayTimes);
                message.getMessageProperties().setCorrelationId(callbackDTO.getSdkId());
                return message;
            }
        });
    }
}

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（2）回调事件消息消费者

@Slf4j
@Component
@RabbitListener(queues = "message.callback", containerFactory = "rabbitListenerContainerFactory")
public class CallbackConsumer {

    @Autowired
    private IGlobalUserService globalUserService;

    @RabbitHandler
    public void handle(String json, Channel channel, @Headers Map<String, Object> map) throws Exception {

        if (map.get("error") != null) {
            //否认消息
            channel.basicNack((Long) map.get(AmqpHeaders.DELIVERY_TAG), false, true);
            return;
        }

        try {
        
            CallbackDTO callbackDTO = JsonMapper.getInstance().fromJson(json, CallbackDTO.class);
            //执行业务逻辑
            globalUserService.execute(callbackDTO);
            //消息消息成功手动确认，对应消息确认模式acknowledge-mode: manual
            channel.basicAck((Long) map.get(AmqpHeaders.DELIVERY_TAG), false);

        } catch (Exception e) {
            log.error("回调失败 -> {}", e);
        }
    }
}

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7、ThreadUtil异步工具类

@Slf4j
public class ThreadUtils {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            ThreadUtil.execAsync(() -> {
                ThreadLocalRandom threadLocalRandom = ThreadLocalRandom.current();
                int number = threadLocalRandom.nextInt(20) + 1;
                System.out.println(number);
            });
            log.info("当前第：" + i + "个线程");
        }

        log.info("task finish!");
    }
}

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8、Guava异步

Guava的ListenableFuture顾名思义就是可以监听的Future，是对java原生Future的扩展增强。我们知道Future表示一个异步计算任务，当任务完成时可以得到计算结果。如果我们希望一旦计算完成就拿到结果展示给用户或者做另外的计算，就必须使用另一个线程不断的查询计算状态。这样做，代码复杂，而且效率低下。使用「Guava ListenableFuture」可以帮我们检测Future是否完成了，不需要再通过get()方法苦苦等待异步的计算结果，如果完成就自动调用回调函数，这样可以减少并发程序的复杂度。

ListenableFuture是一个接口，它从jdk的Future接口继承，添加了void addListener(Runnable listener, Executor executor)方法。

我们看下如何使用ListenableFuture。首先需要定义ListenableFuture的实例：

ListeningExecutorService executorService = MoreExecutors.listeningDecorator(Executors.newCachedThreadPool());
        final ListenableFuture<Integer> listenableFuture = executorService.submit(new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                log.info("callable execute...")
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                return 1;
            }
        });

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首先，通过MoreExecutors类的静态方法listeningDecorator方法初始化一个ListeningExecutorService的方法，然后，使用此实例的submit方法即可初始化ListenableFuture对象。

ListenableFuture要做的工作，在Callable接口的实现类中定义，这里只是休眠了1秒钟然后返回一个数字1，有了ListenableFuture实例，可以执行此Future并执行Future完成之后的回调函数。

Futures.addCallback(listenableFuture, new FutureCallback<Integer>() {
    @Override
    public void onSuccess(Integer result) {
        //成功执行...
        System.out.println("Get listenable future&#39;s result with callback " + result);
    }

    @Override
    public void onFailure(Throwable t) {
        //异常情况处理...
        t.printStackTrace();
    }
});

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那么，以上就是本期介绍的实现异步的8种方式了。

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