Java異步非阻塞編程的幾種方式


一、 從一個同步的Http調用說起

一個很簡單的業務邏輯,其他后端服務提供了一個接口,我們需要通過接口調用,獲取到響應的數據。

逆地理接口:通過經緯度獲取這個經緯度所在的省市區縣以及響應的code:

curl-i"http://xxx?latitude=31.08966221524924&channel=amap7a&near=false&longitude=105.13990312814713"
{"adcode":"510722"}

服務端執行,最簡單的同步調用方式:

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服務端響應之前,IO會阻塞在:java.net.SocketInputStream#socketRead0 的native方法上:

Java異步非阻塞編程的幾種方式

 

通過jstack日志,可以發現,此時這個Thread會一直在runable的狀態:

"main"#1 prio=5 os_prio=31 tid=0x00007fed0c810000 nid=0x1003 runnable [0x000070000ce14000] java.lang.Thread.State: RUNNABLE at java.net.SocketInputStream.socketRead0(Native Method) at java.net.SocketInputStream.socketRead(SocketInputStream.java:116) at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:171) at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:141) at org.apache.http.impl.conn.LoggingInputStream.read(LoggingInputStream.java:84) at org.apache.http.impl.io.SessionInputBufferImpl.streamRead(SessionInputBufferImpl.java:137) at org.apache.http.impl.io.SessionInputBufferImpl.fillBuffer(SessionInputBufferImpl.java:153) at org.apache.http.impl.io.SessionInputBufferImpl.readLine(SessionInputBufferImpl.java:282) at org.apache.http.impl.conn.DefaultHttpResponseParser.parseHead(DefaultHttpResponseParser.java:138) at org.apache.http.impl.conn.DefaultHttpResponseParser.parseHead(DefaultHttpResponseParser.java:56) at org.apache.http.impl.io.AbstractMessageParser.parse(AbstractMessageParser.java:259) at org.apache.http.impl.DefaultBHttpClientConnection.receiveResponseHeader(DefaultBHttpClientConnection.java:163) at org.apache.http.impl.conn.CPoolProxy.receiveResponseHeader(CPoolProxy.java:165) at org.apache.http.protocol.HttpRequestExecutor.doReceiveResponse(HttpRequestExecutor.java:273) at org.apache.http.protocol.HttpRequestExecutor.execute(HttpRequestExecutor.java:125) at org.apache.http.impl.execchain.MainClientExec.execute(MainClientExec.java:272) at org.apache.http.impl.execchain.ProtocolExec.execute(ProtocolExec.java:185) at org.apache.http.impl.execchain.RetryExec.execute(RetryExec.java:89) at org.apache.http.impl.execchain.RedirectExec.execute(RedirectExec.java:110) at org.apache.http.impl.client.InternalHttpClient.doExecute(InternalHttpClient.java:185) at org.apache.http.impl.client.CloseableHttpClient.execute(CloseableHttpClient.java:83) at org.apache.http.impl.client.CloseableHttpClient.execute(CloseableHttpClient.java:108) at com.amap.aos.async.AsyncIO.blockingIO(AsyncIO.java:207) .......

線程模型示例:

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同步最大的問題是在IO等待的過程中,線程資源沒有得到充分的利用,對於大量IO場景的業務吞吐量會有一定限制。

二 、JDK NIO & Future

在JDK 1.5 中,JUC提供了Future抽象:

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Java異步非阻塞編程的幾種方式

 

當然並不是所有的Future都是這樣實現的,如 io.netty.util.concurrent.AbstractFuture 就是通過線程輪詢去。

這樣做的好處是,主線程可以不用等待IO響應,可以去做點其他的,比如說再發送一個IO請求,可以等到一起返回:

"main"#1 prio=5 os_prio=31 tid=0x00007fd7a500b000 nid=0xe03 waiting on condition [0x000070000a95d000] java.lang.Thread.State: WAITING (parking) at sun.misc.Unsafe.park(Native Method) - parking to wait for <0x000000076ee2d768> (a java.util.concurrent.CountDownLatch$Sync) at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175) at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.parkAndCheckInterrupt(AbstractQueuedSynchronizer.java:836) at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:997) at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1304) at java.util.concurrent.CountDownLatch.await(CountDownLatch.java:231) at org.asynchttpclient.netty.NettyResponseFuture.get(NettyResponseFuture.java:162) at com.amap.aos.async.AsyncIO.futureBlockingGet(AsyncIO.java:201) ..... "AsyncHttpClient-2-1"#11 prio=5 os_prio=31 tid=0x00007fd7a7247800 nid=0x340b runnable [0x000070000ba94000] java.lang.Thread.State: RUNNABLE at sun.nio.ch.KQueueArrayWrapper.kevent0(Native Method) at sun.nio.ch.KQueueArrayWrapper.poll(KQueueArrayWrapper.java:198) at sun.nio.ch.KQueueSelectorImpl.doSelect(KQueueSelectorImpl.java:117) at sun.nio.ch.SelectorImpl.lockAndDoSelect(SelectorImpl.java:86) - locked <0x000000076eb00ef0> (a io.netty.channel.nio.SelectedSelectionKeySet) - locked <0x000000076eb00f10> (a java.util.Collections$UnmodifiableSet) - locked <0x000000076eb00ea0> (a sun.nio.ch.KQueueSelectorImpl) at sun.nio.ch.SelectorImpl.select(SelectorImpl.java:97) at io.netty.channel.nio.NioEventLoop.select(NioEventLoop.java:693) at io.netty.channel.nio.NioEventLoop.run(NioEventLoop.java:353) at io.netty.util.concurrent.SingleThreadEventExecutor$2.run(SingleThreadEventExecutor.java:140) at io.netty.util.concurrent.DefaultThreadFactory$DefaultRunnableDecorator.run(DefaultThreadFactory.java:144) at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
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主線程在等待結果返回過程中依然需要等待,沒有根本解決此問題。

三 、使用Callback回調方式

第二節中,依然需要主線程等待,獲取結果,那么可不可以在主線程完成發送請求后,再也不用關心這個邏輯,去執行其他的邏輯?那就可以使用Callback機制。

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如此一來,主線程再也不需要關心發起IO后的業務邏輯,發送完請求后,就可以徹底去干其他事情,或者回到線程池中再供調度。如果是HttpServer,那么需要結合Servlet 3.1的異步Servlet。

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Java異步非阻塞編程的幾種方式

 

使用Callback方式,從線程模型中看,發現線程資源已經得到了比較充分的利用,整個過程中已經沒有線程阻塞。

四、 Callback hell

回調地獄,當Callback的線程還需要執行下一個IO調用的時候,這個時候進入回調地獄模式。

典型的應用場景如,通過經緯度獲取行政區域adcode(逆地理接口),然后再根據獲得的adcode,獲取當地的天氣信息(天氣接口)。

在同步的編程模型中,幾乎不會涉及到此類問題。

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Callback方式的核心缺陷

五、 JDK 1.8 CompletableFuture

那么有沒有辦法解決Callback Hell的問題?當然有,JDK 1.8中提供了CompletableFuture,先看看它是怎么解決這個問題的。

將逆地理的Callback邏輯,封裝成一個獨立的CompletableFuture,當異步線程回調時,調用 future.complete(T) ,將結果封裝。

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將天氣執行的Call邏輯,也封裝成為一個獨立的CompletableFuture ,完成之后,邏輯同上。

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compose銜接,whenComplete輸出:

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每一個IO操作,均可以封裝為獨立的CompletableFuture,從而避免回調地獄。

CompletableFuture,只有兩個屬性:

  • result:Future的執行結果 (Either the result or boxed AltResult)。
  • stack:操作棧,用於定義這個Future接下來操作的行為 (Top of Treiber stack of dependent actions)。

weatherFuture這個方法是如何被調用的呢?

通過堆棧可以發現,是在 reverseCodeFuture.complete(result) 的時候,並且也將獲得的adcode作為參數執行接下來的邏輯。

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這樣一來,就完美解決回調地獄問題,在主的邏輯中,看起來像是在同步的進行編碼。

六、 Vert.x Future

Info-Service中,大量使用的 Vert.x Future 也是類似的解決的方案,不過設計上使用Handler的概念。

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核心執行的邏輯差不多:

Java異步非阻塞編程的幾種方式

 

這當然不是Vertx的全部,當然這是題外話了。

七 、Reactive Streams

異步編程對吞吐量以及資源有好處,但是有沒有統一的抽象去解決此類問題內,答案是 Reactive Streams。

核心抽象:Publisher Subscriber Processor Subscription ,整個包里面,只有這四個接口,沒有實現類。

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在JDK 9里面,已經被作為一種規范封裝到 java.util.concurrent.Flow :

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一個簡單的例子:

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八、 Reactor & Spring 5 & Spring WebFlux

Flux & Mono

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