Java的异步编程

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2020-04-20 2736 words 6 minutes

Contents

1. 概述

随着对编写非阻塞代码的需求不断增长，我们需要异步执行代码的方法。

在本教程中，我们将介绍几种在 Java中实现异步编程的方法。我们还将探讨一些提供开箱即用解决方案的 Java 库。

2. Java中的异步编程

2.1. Thread

我们可以创建一个新线程来异步执行任何操作。随着 Java 8 中lambda 表达式的发布，它变得更加简洁易读。让我们创建一个新线程来计算和打印一个数字的阶乘：

int number = 20;
Thread newThread = new Thread(() -> {
    System.out.println("Factorial of " + number + " is: " + factorial(number));
});
newThread.start();

2.2. Future

从 Java 5 开始，Future接口提供了一种使用*FutureTask *执行异步操作的方法。

我们可以使用*ExecutorService 的submit方法异步执行任务并返回FutureTask*的实例。

所以让我们找到一个数字的阶乘：

ExecutorService threadpool = Executors.newCachedThreadPool();
Future<Long> futureTask = threadpool.submit(() -> factorial(number));
while (!futureTask.isDone()) {
    System.out.println("FutureTask is not finished yet..."); 
} 
long result = futureTask.get(); 
threadpool.shutdown();

这里我们使用了Future接口提供的isDone方法来检查任务是否完成。完成后，我们可以使用get方法检索结果。

2.3. CompletableFuture

**Java 8结合了Future和CompletionStage 引入了CompletableFuture 。**它提供了多种方法，如supplyAsync、runAsync和thenApplyAsync用于异步编程。

现在让我们使用CompletableFuture代替FutureTask来查找数字的阶乘：

CompletableFuture<Long> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> factorial(number));
while (!completableFuture.isDone()) {
    System.out.println("CompletableFuture is not finished yet...");
}
long result = completableFuture.get();

我们不需要显式使用ExecutorService。CompletableFuture在内部使用ForkJoinPool 来异步处理任务。因此，它使我们的代码更加简洁。

3. Guava

Guava 提供了ListenableFuture 类来执行异步操作。

首先，我们将添加最新的guava Maven 依赖项：

<dependency>
    <groupId>com.google.guava</groupId>
    <artifactId>guava</artifactId>
    <version>31.0.1-jre</version>
</dependency>

然后让我们使用ListenableFuture找到一个数字的阶乘：

ExecutorService threadpool = Executors.newCachedThreadPool();
ListeningExecutorService service = MoreExecutors.listeningDecorator(threadpool);
ListenableFuture<Long> guavaFuture = (ListenableFuture<Long>) service.submit(()-> factorial(number));
long result = guavaFuture.get();

这里*MoreExecutors 类提供了 ListeningExecutorService 类的实例。然后ListeningExecutorService.submit 方法异步执行任务并返回ListenableFuture*的实例。

Guava 还有一个Futures 类，它提供了submitAsync、scheduleAsync和transformAsync等方法来链接ListenableFuture，类似于CompletableFuture。

例如，让我们看看如何使用Futures.submitAsync 代替ListeningExecutorService.submit 方法：

ListeningExecutorService service = MoreExecutors.listeningDecorator(threadpool);
AsyncCallable<Long> asyncCallable = Callables.asAsyncCallable(new Callable<Long>() {
    public Long call() {
        return factorial(number);
    }
}, service);
ListenableFuture<Long> guavaFuture = Futures.submitAsync(asyncCallable, service);

这里submitAsync方法需要AsyncCallable 的参数，该参数是使用Callables 类创建的。

此外，Futures类提供了addCallback方法来注册成功和失败回调：

Futures.addCallback(
  factorialFuture,
  new FutureCallback<Long>() {
      public void onSuccess(Long factorial) {
          System.out.println(factorial);
      }
      public void onFailure(Throwable thrown) {
          thrown.getCause();
      }
  }, 
  service);

4. EA异步

Electronic Arts 通过ea-async库将 .NET 的 async-await 功能引入 Java 生态系统。

该库允许顺序编写异步（非阻塞）代码。因此，它使异步编程更容易并自然扩展。

首先，我们将最新的ea-async Maven 依赖添加到pom.xml：

<dependency>
    <groupId>com.ea.async</groupId>
    <artifactId>ea-async</artifactId>
    <version>1.2.3</version>
</dependency>

然后我们将使用 EA 的*Async 类提供的await方法转换前面讨论的CompletableFuture*代码：

static { 
    Async.init(); 
}
public long factorialUsingEAAsync(int number) {
    CompletableFuture<Long> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> factorial(number));
    long result = Async.await(completableFuture);
}

在这里，我们调用静态块中的Async.init 方法来初始化Async运行时检测。

Async检测在运行时转换代码，并重写对await方法的调用，使其行为类似于使用CompletableFuture链。

因此， 调用await方法类似于调用Future.join。

我们可以使用*–javaagent* JVM 参数进行编译时检测。这是Async.init方法的替代方法：

java -javaagent:ea-async-1.2.3.jar -cp <claspath> <MainClass>

现在让我们看另一个顺序编写异步代码的例子。

首先，我们将使用CompletableFuture类的thenComposeAsync和thenAcceptAsync等组合方法异步执行一些链操作：

CompletableFuture<Void> completableFuture = hello()
  .thenComposeAsync(hello -> mergeWorld(hello))
  .thenAcceptAsync(helloWorld -> print(helloWorld))
  .exceptionally(throwable -> {
      System.out.println(throwable.getCause()); 
      return null;
  });
completableFuture.get();

然后我们可以使用 EA 的*Async.await()*转换代码：

try {
    String hello = await(hello());
    String helloWorld = await(mergeWorld(hello));
    await(CompletableFuture.runAsync(() -> print(helloWorld)));
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}

该实现类似于顺序阻塞代码；但是，await方法不会阻塞代码。

正如所讨论的，对await方法的所有调用都将由Async工具重写，以类似于Future.join方法。

因此，一旦hello方法的异步执行完成， Future结果就会传递给mergeWorld方法。然后使用CompletableFuture.runAsync方法将结果传递给最后一次执行。

5. Cactoos

Cactoos 是一个基于面向对象原则的 Java 库。 它是 Google Guava 和 Apache Commons 的替代品，提供用于执行各种操作的通用对象。首先，让我们添加最新的*cactoos * Maven 依赖项：

<dependency>
    <groupId>org.cactoos</groupId>
    <artifactId>cactoos</artifactId>
    <version>0.43</version>
</dependency>

这个库为异步操作提供了一个*Async 类。所以我们可以使用 Cactoos 的Async*类的实例找到一个数字的阶乘：

Async<Integer, Long> asyncFunction = new Async<Integer, Long>(input -> factorial(input));
Future<Long> asyncFuture = asyncFunction.apply(number);
long result = asyncFuture.get();

这里apply方法使用ExecutorService.submit方法执行操作，并返回Future接口的实例**。

同样，Async类具有提供相同功能但没有返回值的exec方法。

注意：Cactoos 库处于开发的初始阶段，可能还不适合生产使用。

6. Jcabi-Aspects

Jcabi-Aspects通过AspectJ AOP 方面为异步编程提供了@Async 注解。

首先，让我们添加最新的jcabi-aspects Maven 依赖项：

<dependency>
    <groupId>com.jcabi</groupId>
    <artifactId>jcabi-aspects</artifactId>
    <version>0.22.6</version>
</dependency>

jcabi-aspects库需要 AspectJ 运行时支持，因此我们将添加aspectjrt Maven 依赖项：

<dependency>
    <groupId>org.aspectj</groupId>
    <artifactId>aspectjrt</artifactId>
    <version>1.9.5</version>
</dependency>

接下来，我们将添加jcabi-maven-plugin 插件，该插件将二进制文件与 AspectJ 方面结合起来。该插件提供了为我们完成所有工作的ajc目标：

<plugin>
    <groupId>com.jcabi</groupId>
    <artifactId>jcabi-maven-plugin</artifactId>
    <version>0.14.1</version>
    <executions>
        <execution>
            <goals>
                <goal>ajc</goal>
            </goals>
        </execution>
    </executions>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.aspectj</groupId>
            <artifactId>aspectjtools</artifactId>
            <version>1.9.1</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.aspectj</groupId>
            <artifactId>aspectjweaver</artifactId>
            <version>1.9.1</version>
        </dependency>
    </dependencies>
</plugin>

现在我们都准备好使用 AOP 方面进行异步编程了：

@Async
@Loggable
public Future<Long> factorialUsingAspect(int number) {
    Future<Long> factorialFuture = CompletableFuture.completedFuture(factorial(number));
    return factorialFuture;
}

当我们编译代码时，该库将通过 AspectJ 编织注入 AOP 建议来代替*@Async注解，以异步执行factorialUsingAspect*方法。

让我们使用 Maven 命令编译该类：

mvn install

jcabi-maven-plugin的输出可能如下所示：

 --- jcabi-maven-plugin:0.14.1:ajc (default) @ java-async ---
[INFO] jcabi-aspects 0.18/55a5c13 started new daemon thread jcabi-loggable for watching of @Loggable annotated methods
[INFO] Unwoven classes will be copied to /tutorials/java-async/target/unwoven
[INFO] jcabi-aspects 0.18/55a5c13 started new daemon thread jcabi-cacheable for automated cleaning of expired @Cacheable values
[INFO] ajc result: 10 file(s) processed, 0 pointcut(s) woven, 0 error(s), 0 warning(s)

我们可以通过检查Maven 插件生成的jcabi-ajc.log文件中的日志来验证我们的类是否正确编织：

Join point 'method-execution(java.util.concurrent.Future 
com.blogdemo.async.JavaAsync.factorialUsingJcabiAspect(int))' 
in Type 'com.blogdemo.async.JavaAsync' (JavaAsync.java:158) 
advised by around advice from 'com.jcabi.aspects.aj.MethodAsyncRunner' 
(jcabi-aspects-0.22.6.jar!MethodAsyncRunner.class(from MethodAsyncRunner.java))

然后我们将该类作为一个简单的 Java 应用程序运行，输出将如下所示：

17:46:58.245 [main] INFO com.jcabi.aspects.aj.NamedThreads - 
jcabi-aspects 0.22.6/3f0a1f7 started new daemon thread jcabi-loggable for watching of @Loggable annotated methods
17:46:58.355 [main] INFO com.jcabi.aspects.aj.NamedThreads - 
jcabi-aspects 0.22.6/3f0a1f7 started new daemon thread jcabi-async for Asynchronous method execution
17:46:58.358 [jcabi-async] INFO com.blogdemo.async.JavaAsync - 
#factorialUsingJcabiAspect(20): '[[email protected]](/cdn_cgi/l/email_protection)[Completed normally]' in 44.64µs

正如我们所见，异步执行任务的库创建了一个新的守护线程jcabi-async。

同样，日志记录由库提供的@Loggable 注解启用。