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新手也能看懂的SpringBoot異步編程指南(簡單易懂)

更新時間：2019年10月15日 09:28:46 作者：SnailClimb

這篇文章主要介紹了新手也能看懂的SpringBoot異步編程指南(簡單易懂)，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

通過本文你可以了解到下面這些知識點(diǎn)：

Future 模式介紹以及核心思想
核心線程數(shù)、最大線程數(shù)的區(qū)別，隊(duì)列容量代表什么；
ThreadPoolTaskExecutor 飽和策略；
SpringBoot 異步編程實(shí)戰(zhàn)，搞懂代碼的執(zhí)行邏輯。

Future 模式

異步編程在處理耗時操作以及多任務(wù)處理的場景下非常有用，我們可以更好的讓我們的系統(tǒng)利用好機(jī)器的 CPU 和內(nèi)存，提高它們的利用率。多線程設(shè)計(jì)模式有很多種，F(xiàn)uture模式是多線程開發(fā)中非常常見的一種設(shè)計(jì)模式，本文也是基于這種模式來說明 SpringBoot 對于異步編程的知識。

實(shí)戰(zhàn)之前我先簡單介紹一下 Future 模式的核心思想吧！。

Future 模式的核心思想是異步調(diào)用。當(dāng)我們執(zhí)行一個方法時，假如這個方法中有多個耗時的任務(wù)需要同時去做，而且又不著急等待這個結(jié)果時可以讓客戶端立即返回然后，后臺慢慢去計(jì)算任務(wù)。當(dāng)然你也可以選擇等這些任務(wù)都執(zhí)行完了，再返回給客戶端。這個在 Java 中都有很好的支持，我在后面的示例程序中會詳細(xì)對比這兩種方式的區(qū)別。

SpringBoot 異步編程實(shí)戰(zhàn)

如果我們需要在 SpringBoot 實(shí)現(xiàn)異步編程的話，通過 Spring 提供的兩個注解會讓這件事情變的非常簡單。

@EnableAsync：通過在配置類或者M(jìn)ain類上加@EnableAsync開啟對異步方法的支持。
@Async 可以作用在類上或者方法上，作用在類上代表這個類的所有方法都是異步方法。

1. 自定義 TaskExecutor

很多人對于 TaskExecutor 不是太了解，所以我們花一點(diǎn)篇幅先介紹一下這個東西。從名字就能看出它是任務(wù)的執(zhí)行者，它領(lǐng)導(dǎo)執(zhí)行著線程來處理任務(wù)，就像司令官一樣，而我們的線程就好比一只只軍隊(duì)一樣，這些軍隊(duì)可以異步對敵人進(jìn)行打擊👊。
Spring 提供了TaskExecutor接口作為任務(wù)執(zhí)行者的抽象,它和java.util.concurrent包下的Executor接口很像。稍微不同的 TaskExecutor接口用到了 Java 8 的語法@FunctionalInterface聲明這個接口是一個函數(shù)式接口。

org.springframework.core.task.TaskExecutor
@FunctionalInterface
public interface TaskExecutor extends Executor {
  void execute(Runnable var1);
}

如果沒有自定義Executor, Spring 將創(chuàng)建一個 SimpleAsyncTaskExecutor 并使用它。

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.scheduling.annotation.AsyncConfigurer;
import org.springframework.scheduling.annotation.EnableAsync;
import org.springframework.scheduling.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor;

import java.util.concurrent.Executor;

/** @author shuang.kou */
@Configuration
@EnableAsync
public class AsyncConfig implements AsyncConfigurer {

 private static final int CORE_POOL_SIZE = 6;
 private static final int MAX_POOL_SIZE = 10;
 private static final int QUEUE_CAPACITY = 100;

 @Bean
 public Executor taskExecutor() {
  // Spring 默認(rèn)配置是核心線程數(shù)大小為1，最大線程容量大小不受限制，隊(duì)列容量也不受限制。
  ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
  // 核心線程數(shù)
  executor.setCorePoolSize(CORE_POOL_SIZE);
  // 最大線程數(shù)
  executor.setMaxPoolSize(MAX_POOL_SIZE);
  // 隊(duì)列大小
  executor.setQueueCapacity(QUEUE_CAPACITY);
  // 當(dāng)最大池已滿時，此策略保證不會丟失任務(wù)請求，但是可能會影響應(yīng)用程序整體性能。
  executor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
  executor.setThreadNamePrefix("My ThreadPoolTaskExecutor-");
  executor.initialize();
  return executor;
 }
}

ThreadPoolTaskExecutor 常見概念：

Core Pool Size : 核心線程數(shù)線程數(shù)定義了最小可以同時運(yùn)行的線程數(shù)量。
Queue Capacity : 當(dāng)新任務(wù)來的時候會先判斷當(dāng)前運(yùn)行的線程數(shù)量是否達(dá)到核心線程數(shù)，如果達(dá)到的話，信任就會被存放在隊(duì)列中。
Maximum Pool Size : 當(dāng)隊(duì)列中存放的任務(wù)達(dá)到隊(duì)列容量的時候，當(dāng)前可以同時運(yùn)行的線程數(shù)量變?yōu)樽畲缶€程數(shù)。

一般情況下不會將隊(duì)列大小設(shè)為：Integer.MAX_VALUE,也不會將核心線程數(shù)和最大線程數(shù)設(shè)為同樣的大小，這樣的話最大線程數(shù)的設(shè)置都沒什么意義了，你也無法確定當(dāng)前 CPU 和內(nèi)存利用率具體情況如何。

如果隊(duì)列已滿并且當(dāng)前同時運(yùn)行的線程數(shù)達(dá)到最大線程數(shù)的時候，如果再有新任務(wù)過來會發(fā)生什么呢？

Spring 默認(rèn)使用的是 ThreadPoolExecutor.AbortPolicy。在Spring的默認(rèn)情況下，ThreadPoolExecutor 將拋出 RejectedExecutionException 來拒絕新來的任務(wù) ，這代表你將丟失對這個任務(wù)的處理。對于可伸縮的應(yīng)用程序，建議使用 ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy。當(dāng)最大池被填滿時，此策略為我們提供可伸縮隊(duì)列。

ThreadPoolTaskExecutor 飽和策略定義:

如果當(dāng)前同時運(yùn)行的線程數(shù)量達(dá)到最大線程數(shù)量時，ThreadPoolTaskExecutor 定義一些策略:

ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：拋出 RejectedExecutionException來拒絕新任務(wù)的處理。
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：調(diào)用執(zhí)行自己的線程運(yùn)行任務(wù)。您不會任務(wù)請求。但是這種策略會降低對于新任務(wù)提交速度，影響程序的整體性能。另外，這個策略喜歡增加隊(duì)列容量。如果您的應(yīng)用程序可以承受此延遲并且你不能任務(wù)丟棄任何一個任務(wù)請求的話，你可以選擇這個策略。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：不處理新任務(wù)，直接丟棄掉。
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：此策略將丟棄最早的未處理的任務(wù)請求。

2. 編寫一個異步的方法

下面模擬一個查找對應(yīng)字符開頭電影的方法，我們給這個方法加上了@Async注解來告訴 Spring 它是一個異步的方法。另外，這個方法的返回值 CompletableFuture.completedFuture(results)這代表我們需要返回結(jié)果，也就是說程序必須把任務(wù)執(zhí)行完成之后再返回給用戶。

請留意completableFutureTask方法中的第一行打印日志這句代碼，后面分析程序中會用到，很重要！

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.scheduling.annotation.Async;
import org.springframework.stereotype.Service;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.stream.Collectors;

/** @author shuang.kou */
@Service
public class AsyncService {

 private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AsyncService.class);

 private List<String> movies =
   new ArrayList<>(
     Arrays.asList(
       "Forrest Gump",
       "Titanic",
       "Spirited Away",
       "The Shawshank Redemption",
       "Zootopia",
       "Farewell ",
       "Joker",
       "Crawl"));

 /** 示范使用：找到特定字符/字符串開頭的電影 */
 @Async
 public CompletableFuture<List<String>> completableFutureTask(String start) {
  // 打印日志
  logger.warn(Thread.currentThread().getName() + "start this task!");
  // 找到特定字符/字符串開頭的電影
  List<String> results =
    movies.stream().filter(movie -> movie.startsWith(start)).collect(Collectors.toList());
  // 模擬這是一個耗時的任務(wù)
  try {
   Thread.sleep(1000L);
  } catch (InterruptedException e) {
   e.printStackTrace();
  }
  //返回一個已經(jīng)用給定值完成的新的CompletableFuture。
  return CompletableFuture.completedFuture(results);
 }
}

3. 測試編寫的異步方法

/** @author shuang.kou */
@RestController
@RequestMapping("/async")
public class AsyncController {
 @Autowired 
 AsyncService asyncService;

 @GetMapping("/movies")
 public String completableFutureTask() throws ExecutionException, InterruptedException {
  //開始時間
  long start = System.currentTimeMillis();
  // 開始執(zhí)行大量的異步任務(wù)
  List<String> words = Arrays.asList("F", "T", "S", "Z", "J", "C");
  List<CompletableFuture<List<String>>> completableFutureList =
    words.stream()
      .map(word -> asyncService.completableFutureTask(word))
      .collect(Collectors.toList());
  // CompletableFuture.join（）方法可以獲取他們的結(jié)果并將結(jié)果連接起來
  List<List<String>> results = completableFutureList.stream().map(CompletableFuture::join).collect(Collectors.toList());
  // 打印結(jié)果以及運(yùn)行程序運(yùn)行花費(fèi)時間
  System.out.println("Elapsed time: " + (System.currentTimeMillis() - start));
  return results.toString();
 }
}

請求這個接口，控制臺打印出下面的內(nèi)容：

2019-10-01 13:50:17.007 WARN 18793 --- [lTaskExecutor-1] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-1start this task!
2019-10-01 13:50:17.007 WARN 18793 --- [lTaskExecutor-6] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-6start this task!
2019-10-01 13:50:17.007 WARN 18793 --- [lTaskExecutor-5] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-5start this task!
2019-10-01 13:50:17.007 WARN 18793 --- [lTaskExecutor-4] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-4start this task!
2019-10-01 13:50:17.007 WARN 18793 --- [lTaskExecutor-3] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-3start this task!
2019-10-01 13:50:17.007 WARN 18793 --- [lTaskExecutor-2] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-2start this task!
Elapsed time: 1010

首先我們可以看到處理所有任務(wù)花費(fèi)的時間大概是 1 s。這與我們自定義的 ThreadPoolTaskExecutor 有關(guān)，我們配置的核心線程數(shù)是 6 ，然后通過通過下面的代碼模擬分配了 6 個任務(wù)給系統(tǒng)執(zhí)行。這樣每個線程都會被分配到一個任務(wù)，每個任務(wù)執(zhí)行花費(fèi)時間是 1 s ，所以處理 6 個任務(wù)的總花費(fèi)時間是 1 s。

List<String> words = Arrays.asList("F", "T", "S", "Z", "J", "C"); 
List<CompletableFuture<List<String>>> completableFutureList =
    words.stream()
      .map(word -> asyncService.completableFutureTask(word))
      .collect(Collectors.toList());

你可以自己驗(yàn)證一下，試著去把核心線程數(shù)的數(shù)量改為 3 ，再次請求這個接口你會發(fā)現(xiàn)處理所有任務(wù)花費(fèi)的時間大概是 2 s。

另外，從上面的運(yùn)行結(jié)果可以看出，當(dāng)所有任務(wù)執(zhí)行完成之后才返回結(jié)果。這種情況對應(yīng)于我們需要返回結(jié)果給客戶端請求的情況下，假如我們不需要返回任務(wù)執(zhí)行結(jié)果給客戶端的話呢？就比如我們上傳一個大文件到系統(tǒng)，上傳之后只要大文件格式符合要求我們就上傳成功。普通情況下我們需要等待文件上傳完畢再返回給用戶消息，但是這樣會很慢。采用異步的話，當(dāng)用戶上傳之后就立馬返回給用戶消息，然后系統(tǒng)再默默去處理上傳任務(wù)。這樣也會增加一點(diǎn)麻煩，因?yàn)槲募赡軙蟼魇?，所以系統(tǒng)也需要一點(diǎn)機(jī)制來補(bǔ)償這個問題，比如當(dāng)上傳遇到問題的時候，發(fā)消息通知用戶。

下面會演示一下客戶端不需要返回結(jié)果的情況：

將completableFutureTask方法變?yōu)?void 類型

@Async
public void completableFutureTask(String start) {
 ......
 //這里可能是系統(tǒng)對任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的處理，比如存入到數(shù)據(jù)庫等等......
 //doSomeThingWithResults(results);
}

Controller 代碼修改如下：

 @GetMapping("/movies")
 public String completableFutureTask() throws ExecutionException, InterruptedException {
  // Start the clock
  long start = System.currentTimeMillis();
  // Kick of multiple, asynchronous lookups
  List<String> words = Arrays.asList("F", "T", "S", "Z", "J", "C");
    words.stream()
      .forEach(word -> asyncService.completableFutureTask(word));
  // Wait until they are all done
  // Print results, including elapsed time
  System.out.println("Elapsed time: " + (System.currentTimeMillis() - start));
  return "Done";
 }

請求這個接口，控制臺打印出下面的內(nèi)容：

Elapsed time: 0
2019-10-01 14:02:44.052 WARN 19051 --- [lTaskExecutor-4] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-4start this task!
2019-10-01 14:02:44.052 WARN 19051 --- [lTaskExecutor-3] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-3start this task!
2019-10-01 14:02:44.052 WARN 19051 --- [lTaskExecutor-2] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-2start this task!
2019-10-01 14:02:44.052 WARN 19051 --- [lTaskExecutor-1] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-1start this task!
2019-10-01 14:02:44.052 WARN 19051 --- [lTaskExecutor-6] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-6start this task!
2019-10-01 14:02:44.052 WARN 19051 --- [lTaskExecutor-5] g.j.a.service.AsyncService               : My ThreadPoolTaskExecutor-5start this task!

可以看到系統(tǒng)會直接返回給用戶結(jié)果，然后系統(tǒng)才真正開始執(zhí)行任務(wù)。

待辦