@Async注解的原理及使用

本文講述@Async注解，在Spring體系中的應用。本文僅說明@Async注解的應用規則，對於原理，調用邏輯，源碼分析，暫不介紹。對於異步方法調用，從Spring3開始提供了@Async注解，該注解可以被標注在方法上，以便異步地調用該方法。調用者將在調用時立即返回，方法的實際執行將提交給Spring TaskExecutor的任務中，由指定的線程池中的線程執行。

在項目應用中，@Async調用線程池，推薦使用自定義線程池的模式。自定義線程池常用方案：重新實現接口AsyncConfigurer。

簡介

應用場景

同步：同步就是整個處理過程順序執行，當各個過程都執行完畢，並返回結果。

異步：異步調用則是只是發送了調用的指令，調用者無需等待被調用的方法完全執行完畢；而是繼續執行下面的流程。例如，在某個調用中，需要順序調用 A, B, C三個過程方法；如他們都是同步調用，則需要將他們都順序執行完畢之后，方算作過程執行完畢；如B為一個異步的調用方法，則在執行完A之后，調用B，並不等待B完成，而是執行開始調用C，待C執行完畢之后，就意味着這個過程執行完畢了。在Java中，一般在處理類似的場景之時，都是基於創建獨立的線程去完成相應的異步調用邏輯，通過主線程和不同的業務子線程之間的執行流程，從而在啟動獨立的線程之后，主線程繼續執行而不會產生停滯等待的情況。

Spring 已經實現的線程池

1. SimpleAsyncTaskExecutor：不是真的線程池，這個類不重用線程，默認每次調用都會創建一個新的線程。
2. SyncTaskExecutor：這個類沒有實現異步調用，只是一個同步操作。只適用於不需要多線程的地方。
3. ConcurrentTaskExecutor：Executor的適配類，不推薦使用。如果ThreadPoolTaskExecutor不滿足要求時，才用考慮使用這個類。
4. SimpleThreadPoolTaskExecutor：是Quartz的SimpleThreadPool的類。線程池同時被quartz和非quartz使用，才需要使用此類。
5. ThreadPoolTaskExecutor ：最常使用，推薦。其實質是對java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor的包裝。

異步的方法有：

1. 最簡單的異步調用，返回值為void
2. 帶參數的異步調用，異步方法可以傳入參數
3. 存在返回值，常調用返回Future

@Async應用默認線程池

Spring應用默認的線程池，指在@Async注解在使用時，不指定線程池的名稱。查看源碼，@Async的默認線程池為SimpleAsyncTaskExecutor。

無返回值調用

基於@Async無返回值調用，直接在使用類，使用方法（建議在使用方法）上，加上注解。若需要拋出異常，需手動new一個異常拋出。

 1  /**
 2      * 帶參數的異步調用 異步方法可以傳入參數
 3      *  對於返回值是void，異常會被AsyncUncaughtExceptionHandler處理掉
 4      * @param s
 5      */
 6     @Async
 7     public void asyncInvokeWithException(String s) {
 8         log.info("asyncInvokeWithParameter, parementer={}", s);
 9         throw new IllegalArgumentException(s);
10     }

有返回值Future調用

 1  /**
 2      * 異常調用返回Future
 3      *  對於返回值是Future，不會被AsyncUncaughtExceptionHandler處理，需要我們在方法中捕獲異常並處理
 4      *  或者在調用方在調用Futrue.get時捕獲異常進行處理
 5      * 
 6      * @param i
 7      * @return
 8      */
 9     @Async
10     public Future<String> asyncInvokeReturnFuture(int i) {
11         log.info("asyncInvokeReturnFuture, parementer={}", i);
12         Future<String> future;
13         try {
14             Thread.sleep(1000 * 1);
15             future = new AsyncResult<String>("success:" + i);
16             throw new IllegalArgumentException("a");
17         } catch (InterruptedException e) {
18             future = new AsyncResult<String>("error");
19         } catch(IllegalArgumentException e){
20             future = new AsyncResult<String>("error-IllegalArgumentException");
21         }
22         return future;
23     }

有返回值CompletableFuture調用

CompletableFuture 並不使用@Async注解，可達到調用系統線程池處理業務的功能。

JDK5新增了Future接口，用於描述一個異步計算的結果。雖然 Future 以及相關使用方法提供了異步執行任務的能力，但是對於結果的獲取卻是很不方便，只能通過阻塞或者輪詢的方式得到任務的結果。阻塞的方式顯然和我們的異步編程的初衷相違背，輪詢的方式又會耗費無謂的 CPU 資源，而且也不能及時地得到計算結果。

CompletionStage代表異步計算過程中的某一個階段，一個階段完成以后可能會觸發另外一個階段
一個階段的計算執行可以是一個Function，Consumer或者Runnable。比如：stage.thenApply(x -> square(x)).thenAccept(x -> System.out.print(x)).thenRun(() -> System.out.println())
一個階段的執行可能是被單個階段的完成觸發，也可能是由多個階段一起觸發

在Java8中，CompletableFuture提供了非常強大的Future的擴展功能，可以幫助我們簡化異步編程的復雜性，並且提供了函數式編程的能力，可以通過回調的方式處理計算結果，也提供了轉換和組合 CompletableFuture 的方法。

它可能代表一個明確完成的Future，也有可能代表一個完成階段（ CompletionStage ），它支持在計算完成以后觸發一些函數或執行某些動作。
它實現了Future和CompletionStage接口

 1  /**
 2      * 數據查詢線程池
 3      */
 4     private static final ThreadPoolExecutor SELECT_POOL_EXECUTOR = new ThreadPoolExecutor(10, 20, 5000,
 5             TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1024), new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("selectThreadPoolExecutor-%d").build());
 6 
 7 // tradeMapper.countTradeLog(tradeSearchBean)方法表示，獲取數量，返回值為int
 8  // 獲取總條數
 9         CompletableFuture<Integer> countFuture = CompletableFuture
10                 .supplyAsync(() -> tradeMapper.countTradeLog(tradeSearchBean), SELECT_POOL_EXECUTOR);
11 // 同步阻塞
12     CompletableFuture.allOf(countFuture).join();
13 // 獲取結果
14  int count = countFuture.get();

默認線程池的弊端

在線程池應用中，參考阿里巴巴java開發規范：線程池不允許使用Executors去創建，不允許使用系統默認的線程池，推薦通過ThreadPoolExecutor的方式，這樣的處理方式讓開發的工程師更加明確線程池的運行規則，規避資源耗盡的風險。Executors各個方法的弊端：

newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor：主要問題是堆積的請求處理隊列可能會耗費非常大的內存，甚至OOM。
newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool：要問題是線程數最大數是Integer.MAX_VALUE，可能會創建數量非常多的線程，甚至OOM。

@Async默認異步配置使用的是SimpleAsyncTaskExecutor，該線程池默認來一個任務創建一個線程，若系統中不斷的創建線程，最終會導致系統占用內存過高，引發OutOfMemoryError錯誤。針對線程創建問題，SimpleAsyncTaskExecutor提供了限流機制，通過concurrencyLimit屬性來控制開關，當concurrencyLimit>=0時開啟限流機制，默認關閉限流機制即concurrencyLimit=-1，當關閉情況下，會不斷創建新的線程來處理任務。基於默認配置，SimpleAsyncTaskExecutor並不是嚴格意義的線程池，達不到線程復用的功能。

@Async應用自定義線程池

自定義線程池，可對系統中線程池更加細粒度的控制，方便調整線程池大小配置，線程執行異常控制和處理。在設置系統自定義線程池代替默認線程池時，雖可通過多種模式設置，但替換默認線程池最終產生的線程池有且只能設置一個（不能設置多個類繼承AsyncConfigurer）。自定義線程池有如下模式：

重新實現接口AsyncConfigurer
繼承AsyncConfigurerSupport
配置由自定義的TaskExecutor替代內置的任務執行器

通過查看Spring源碼關於@Async的默認調用規則，會優先查詢源碼中實現AsyncConfigurer這個接口的類，實現這個接口的類為AsyncConfigurerSupport。但默認配置的線程池和異步處理方法均為空，所以，無論是繼承或者重新實現接口，都需指定一個線程池。且重新實現 public Executor getAsyncExecutor()方法。

實現接口AsyncConfigurer

 1 @Configuration
 2 public class AsyncConfiguration implements AsyncConfigurer {
 3     @Bean("kingAsyncExecutor")
 4     public ThreadPoolTaskExecutor executor() {
 5         ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
 6         int corePoolSize = 10;
 7         executor.setCorePoolSize(corePoolSize);
 8         int maxPoolSize = 50;
 9         executor.setMaxPoolSize(maxPoolSize);
10         int queueCapacity = 10;
11         executor.setQueueCapacity(queueCapacity);
12         executor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
13         String threadNamePrefix = "kingDeeAsyncExecutor-";
14         executor.setThreadNamePrefix(threadNamePrefix);
15         executor.setWaitForTasksToCompleteOnShutdown(true);
16         // 使用自定義的跨線程的請求級別線程工廠類
17         RequestContextThreadFactory threadFactory = RequestContextThreadFactory.getDefault();
18         executor.setThreadFactory(threadFactory);
19         int awaitTerminationSeconds = 5;
20         executor.setAwaitTerminationSeconds(awaitTerminationSeconds);
21         executor.initialize();
22         return executor;
23     }
24 
25     @Override
26     public Executor getAsyncExecutor() {
27         return executor();
28     }
29 
30     @Override
31     public AsyncUncaughtExceptionHandler getAsyncUncaughtExceptionHandler() {
32         return (ex, method, params) -> ErrorLogger.getInstance().log(String.format("執行異步任務'%s'", method), ex);
33     }
34 }

繼承AsyncConfigurerSupport

@Configuration  
@EnableAsync  
class SpringAsyncConfigurer extends AsyncConfigurerSupport {  
  
    @Bean  
    public ThreadPoolTaskExecutor asyncExecutor() {  
        ThreadPoolTaskExecutor threadPool = new ThreadPoolTaskExecutor();  
        threadPool.setCorePoolSize(3);  
        threadPool.setMaxPoolSize(3);  
        threadPool.setWaitForTasksToCompleteOnShutdown(true);  
        threadPool.setAwaitTerminationSeconds(60 * 15);  
        return threadPool;  
    }  
  
    @Override  
    public Executor getAsyncExecutor() {  
        return asyncExecutor;  
}  

  @Override  
    public AsyncUncaughtExceptionHandler getAsyncUncaughtExceptionHandler() {
    return (ex, method, params) -> ErrorLogger.getInstance().log(String.format("執行異步任務'%s'", method), ex);
}
}

配置自定義的TaskExecutor

由於AsyncConfigurer的默認線程池在源碼中為空，Spring通過beanFactory.getBean(TaskExecutor.class)先查看是否有線程池，未配置時，通過beanFactory.getBean(DEFAULT_TASK_EXECUTOR_BEAN_NAME, Executor.class)，又查詢是否存在默認名稱為TaskExecutor的線程池。所以可在項目中，定義名稱為TaskExecutor的bean生成一個默認線程池。也可不指定線程池的名稱，申明一個線程池，本身底層是基於TaskExecutor.class便可。

比如：

 Executor.class:ThreadPoolExecutorAdapter->ThreadPoolExecutor->AbstractExecutorService->ExecutorService->Executor（這樣的模式，最終底層為Executor.class，在替換默認的線程池時，需設置默認的線程池名稱為TaskExecutor）

 TaskExecutor.class:ThreadPoolTaskExecutor->SchedulingTaskExecutor->AsyncTaskExecutor->TaskExecutor（這樣的模式，最終底層為TaskExecutor.class，在替換默認的線程池時，可不指定線程池名稱。）

 1 @EnableAsync
 2 @Configuration
 3 public class TaskPoolConfig {
 4     @Bean(name = AsyncExecutionAspectSupport.DEFAULT_TASK_EXECUTOR_BEAN_NAME)
 5     public Executor taskExecutor() {
 6         ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
 7          //核心線程池大小
 8         executor.setCorePoolSize(10);
 9         //最大線程數
10         executor.setMaxPoolSize(20);
11         //隊列容量
12         executor.setQueueCapacity(200);
13         //活躍時間
14         executor.setKeepAliveSeconds(60);
15         //線程名字前綴
16         executor.setThreadNamePrefix("taskExecutor-");
17         executor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
18         return executor;
19     }

      @Bean(name = "new_task")
 5     public Executor taskExecutor() {
 6         ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
 7          //核心線程池大小
 8         executor.setCorePoolSize(10);
 9         //最大線程數
10         executor.setMaxPoolSize(20);
11         //隊列容量
12         executor.setQueueCapacity(200);
13         //活躍時間
14         executor.setKeepAliveSeconds(60);
15         //線程名字前綴
16         executor.setThreadNamePrefix("taskExecutor-");
17         executor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
18         return executor;
19     }