在Java中使用異步編程
本文轉載自微信公眾號「編了個程」，作者Yasin x。轉載本文請聯系編了個程公眾號。
最近在學習協程，打算輸出幾篇文章來介紹一下協程。而協程與異步有很大的關聯，所以想先介紹一下異步。
異步是一種程序的運行方式，各種編程語言語言或多或少都對它有所支持。異步對于Java后端程序員來說并不是一種特別熟悉的概念，而安卓或者前端的同學可能會對異步這個概念會更熟悉一些。
程序同步和異步
同步是最簡單也是最符合我們人類思維方式的編程方式，所謂同步，就是程序會按照代碼一行行執行，執行完一句再執行下一句。
同步代碼看起來是這樣：
- stepA();
- stepB();
- stepC();
- ...
stepA執行完后，開始執行stepB，stepB執行完后，執行stepC。
而有時候我們會有這樣的需求：在后臺執行一段程序。具體到我們這個案例來說，就是執行完stepA后，要開始執行stepB，但不用等stepB執行完，現在可以立即執行stepC。
于是異步編程就出來了。在Java語言里，我們可以創建一個新的線程(或者使用線程池)去執行異步任務：
- stepA();
- new Thread(() -> stepB()).start();
- stepC();
這樣，stepB就在另一個線程里面“異步”執行了，而stepC還是繼續在當前線程里執行。
異步有什么好處呢?
有一個顯而易見的好處：讓程序“響應更快”。比如上述的case，如果stepB()任務比較耗時，比如發郵件操作。那使用同步的方式，程序需要等待卡在這里stepB完成才能往下走。而如果使用異步的方式，可以讓stepB“后臺”執行，不影響當前程序往下執行。
這在UI程序中尤為重要，畢竟界面的響應時間對用戶的體驗很大。所以涉及到UI的語言、框架是最先研究和嘗試異步技術的。比如RxJava起源于安卓，Kotlin、Dart、JavaScript等語言也在UI程序中用得比較多。
而同樣的，對于IO密集型的程序，使用異步也能夠明顯提升性能，大家熟悉的nginx、redis、netty等，其底層都是利用的操作系統的系統調用(比如Linux的epoll)來實現異步，達到高性能的表現。
使用異步
在Java中使用異步一般是用多線程來實現的。
正如我們上文提到的，我們可以啟動一個新的線程去“后臺”執行一個異步任務。當然，我們也可以把它扔進線程池里。
- // 新建線程執行異步任務
- new Thread(() -> stepB()).start();
但如果我們要使用異步的返回結果怎么辦呢?比如常見的場景是請求另一個微服務的接口。
JDK 1.5提供了Callable和Future接口，用于實現“有返回值”的多線程任務。使用的時候一般是配合線程池使用：
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
- Future<String> future = executor.submit(() -> {
- // 模擬IO需要一秒
- Thread.sleep(1000);
- return "hello";
- });
- System.out.println("submitted");
- // 這里會阻塞直到future.get返回值或者超時
- System.out.println(future.get(2, TimeUnit.SECONDS));
- executor.shutdown();
- }
如果使用Future，我們在調用future.get()方法的時候，會阻塞直到異步任務返回結果或者拋異常或者超時。試想一下我們有這個需求：任務B1需要任務B的結果，任務C1需要任務C的結果，但它們彼此是獨立的。如果使用Future我們得這樣做：
- stepA();
- Future futureB = executor.submit(() -> stepB());
- Future futureC = executor.submit(() -> stepC());
- stepB1(futureB.get());
- // 這一步必須等stepB1執行完
- stepC1(futureC.get());
所以使用future其實還是會在調用get方法的時候阻塞主流程。那有沒有什么辦法不阻塞呢?解決辦法是使用回調。
回調與回調地獄
所謂回調，在函數式編程語言中的說法就是，我傳一個函數進去，等異步任務完成后，就執行這個函數。Java雖然不是函數式編程語言，但Java8也支持函數式編程。
假設我們的需求僅僅是把一個異步任務產生的結果字符串打印出來，我們可以這樣寫：
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- Consumer<String> callback = System.out::println;
- new Thread(() -> {
- // 模擬api調用，省略try-catch
- Thread.sleep(1000);
- // 假設這是調用第三方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函數，直接在把程序代碼段放到異步任務里面：
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- new Thread(() -> {
- // 模擬api調用，省略try-catch
- Thread.sleep(1000);
- // 假設這是調用第三方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);
- }
那如果異步任務需要的回調太多呢?比如我們需要先異步請求接口A，拿到結果后再去異步請求接口B，拿到結果后再去異步請求接口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) {
- // 模擬api調用，省略try-catch
- Thread.sleep(1000);
- return mockRes;
- }
有沒有感覺這層層嵌套的代碼比較難看?這就是臭名昭著的“回調地獄”。
Java 8提供了一個叫CompletableFuture類來支持一些異步功能，包括回調。它支持「鏈式調用」，可以在一定程度上解決“回調地獄”的問題。上述代碼可以用CompletableFuture這樣寫:
- 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");
- // 等異步任務輸出
- Thread.sleep(20000);
- }
響應式編程
是另一種異步解決方案。它的主要應用場景是異步處理數據集合。對標的是同步的Iterable。這里有一個對比圖：
比較典型的場景是UI產生的事件流(比如點擊事件等)。
響應式編程的核心是“觀察者模式”。客戶端發送請求和，能夠立即得到一個Stream返回，客戶端訂閱這個Stream來接收通知。等服務端有數據時，就會往Stream上發布數據，客戶端就能夠收到數據了。
Spring 5也支持響應式編程，并認為它將是未來web編程的一大趨勢。響應流 API java.util.concurrent.flow 已正式成為 Java 9 的一部分。但目前發展還比較緩慢，大家對這個東西的接受度一般，可能是因為切換成本比較高，且目前webmvc能夠滿足大多數需求吧。
協程
看了一圈資料，很多文章在討論協程是什么。我初步總結下來協程主要有兩個作用：
可以用同步的方式寫異步代碼
可以在適當的時候掛起當前程序片段，在適當的時候恢復，這是代碼可以控制的
協程由程序控制，在同一個線程內部工作，在IO成為瓶頸的絕大多數應用場景下，可以代替當前主流的多線程模型，省去線程切換的開銷，提升吞吐量。
后面有空再詳細介紹協程吧。
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