在Java中使用异步编程

本文转载自微信公众号「编了个程」，作者Yasin x。转载本文请联系编了个程公众号。 

最近在学习协程，打算输出几篇文章来介绍一下协程。而协程与异步有很大的关联，所以想先介绍一下异步。

异步是一种程序的运行方式，各种编程语言语言或多或少都对它有所支持。异步对于Java后端程序员来说并不是一种特别熟悉的概念，而安卓或者前端的同学可能会对异步这个概念会更熟悉一些。

程序同步和异步

同步是最简单也是最符合我们人类思维方式的编程方式，所谓同步，就是程序会按照代码一行行执行，执行完一句再执行下一句。

同步代码看起来是这样：

stepA(); 
stepB(); 
stepC(); 
... 

stepA执行完后，开始执行stepB，stepB执行完后，执行stepC。

而有时候我们会有这样的需求：在后台执行一段程序。具体到我们这个案例来说，就是执行完stepA后，要开始执行stepB，但不用等stepB执行完，现在可以立即执行stepC。

于是异步编程就出来了。在Java语言里，我们可以创建一个新的线程(或者使用线程池)去执行异步任务：

stepA(); 
new Thread(() -> stepB()).start(); 
stepC(); 

这样，stepB就在另一个线程里面“异步”执行了，而stepC还是继续在当前线程里执行。

异步有什么好处呢?

有一个显而易见的好处：让程序“响应更快”。比如上述的case，如果stepB()任务比较耗时，比如发邮件操作。那使用同步的方式，程序需要等待卡在这里stepB完成才能往下走。而如果使用异步的方式，可以让stepB“后台”执行，不影响当前程序往下执行。

这在UI程序中尤为重要，毕竟界面的响应时间对用户的体验很大。所以涉及到UI的语言、框架是最先研究和尝试异步技术的。比如RxJava起源于安卓，Kotlin、Dart、JavaScript等语言也在UI程序中用得比较多。

而同样的，对于IO密集型的程序，使用异步也能够明显提升性能，大家熟悉的nginx、redis、netty等，其底层都是利用的操作系统的系统调用(比如Linux的epoll)来实现异步，达到高性能的表现。

使用异步

在Java中使用异步一般是用多线程来实现的。

正如我们上文提到的，我们可以启动一个新的线程去“后台”执行一个异步任务。当然，我们也可以把它扔进线程池里。

// 新建线程执行异步任务 
new Thread(() -> stepB()).start(); 

但如果我们要使用异步的返回结果怎么办呢?比如常见的场景是请求另一个微服务的接口。

JDK 1.5提供了Callable和Future接口，用于实现“有返回值”的多线程任务。使用的时候一般是配合线程池使用：

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor(); 
    Future<String> future = executor.submit(() -> { 
        // 模拟IO需要一秒 
        Thread.sleep(1000); 
        return "hello"; 
    }); 
    System.out.println("submitted"); 
    // 这里会阻塞直到future.get返回值或者超时 
    System.out.println(future.get(2, TimeUnit.SECONDS)); 
    executor.shutdown(); 
} 

如果使用Future，我们在调用future.get()方法的时候，会阻塞直到异步任务返回结果或者抛异常或者超时。试想一下我们有这个需求：任务B1需要任务B的结果，任务C1需要任务C的结果，但它们彼此是独立的。如果使用Future我们得这样做：

stepA(); 
Future futureB = executor.submit(() -> stepB()); 
Future futureC = executor.submit(() -> stepC()); 
 
stepB1(futureB.get()); 
// 这一步必须等stepB1执行完 
stepC1(futureC.get()); 

所以使用future其实还是会在调用get方法的时候阻塞主流程。那有没有什么办法不阻塞呢?解决办法是使用回调。

回调与回调地狱

所谓回调，在函数式编程语言中的说法就是，我传一个函数进去，等异步任务完成后，就执行这个函数。Java虽然不是函数式编程语言，但Java8也支持函数式编程。

假设我们的需求仅仅是把一个异步任务产生的结果字符串打印出来，我们可以这样写：

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    Consumer<String> callback = System.out::println; 
    new Thread(() -> { 
        // 模拟api调用，省略try-catch 
        Thread.sleep(1000); 
        // 假设这是调用第三方api返回的字符串 
        String s = "hello"; 
        callback.accept(s); 
    }).start(); 
    System.out.println("started"); 
} 

甚至可以不用callback函数，直接在把程序代码段放到异步任务里面：

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    new Thread(() -> { 
        // 模拟api调用，省略try-catch 
        Thread.sleep(1000); 
        // 假设这是调用第三方api返回的字符串 
        String s = "hello"; 
        print(s); 
    }).start(); 
    System.out.println("started"); 
} 
 
private static void print(String str) { 
    System.out.println(str); 
} 

那如果异步任务需要的回调太多呢?比如我们需要先异步请求接口A，拿到结果后再去异步请求接口B，拿到结果后再去异步请求接口C：

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    new Thread(() -> { 
        String resultA = callAPI("input", "a"); 
        new Thread(() -> { 
            String resultB = callAPI(resultA, "b"); 
            new Thread(() -> { 
                String resultC = callAPI(resultB, "c"); 
                System.out.println(resultC); 
            }).start(); 
        }).start(); 
    }).start(); 
    System.out.println("started"); 
} 
 
private static String callAPI(String param, String mockRes) { 
    // 模拟api调用，省略try-catch 
    Thread.sleep(1000); 
    return mockRes; 
} 

有没有感觉这层层嵌套的代码比较难看?这就是臭名昭著的“回调地狱”。

Java 8提供了一个叫CompletableFuture类来支持一些异步功能，包括回调。它支持「链式调用」，可以在一定程度上解决“回调地狱”的问题。上述代码可以用CompletableFuture这样写:

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    CompletableFuture.supplyAsync(() -> callAPI("input", "a")) 
        .thenApply(res -> callAPI(res, "b")) 
        .thenApply(res -> callAPI(res, "c")) 
        .thenAccept(System.out::println); 
    System.out.println("started"); 
    // 等异步任务输出 
    Thread.sleep(20000); 
} 

响应式编程

是另一种异步解决方案。它的主要应用场景是异步处理数据集合。对标的是同步的Iterable。这里有一个对比图：

比较典型的场景是UI产生的事件流(比如点击事件等)。

响应式编程的核心是“观察者模式”。客户端发送请求和，能够立即得到一个Stream返回，客户端订阅这个Stream来接收通知。等服务端有数据时，就会往Stream上发布数据，客户端就能够收到数据了。

Spring 5也支持响应式编程，并认为它将是未来web编程的一大趋势。响应流 API java.util.concurrent.flow 已正式成为 Java 9 的一部分。但目前发展还比较缓慢，大家对这个东西的接受度一般，可能是因为切换成本比较高，且目前webmvc能够满足大多数需求吧。

协程

看了一圈资料，很多文章在讨论协程是什么。我初步总结下来协程主要有两个作用：

可以用同步的方式写异步代码

可以在适当的时候挂起当前程序片段，在适当的时候恢复，这是代码可以控制的

协程由程序控制，在同一个线程内部工作，在IO成为瓶颈的绝大多数应用场景下，可以代替当前主流的多线程模型，省去线程切换的开销，提升吞吐量。

后面有空再详细介绍协程吧。

关于作者

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