获取双异步返回值时，如何保证主线程不阻塞？

哪吒编程2024-01-25 20:31

大家好，我是哪吒。

一、前情提要

在上一篇文章中，使用双异步后，如何保证数据一致性？，通过Future获取异步返回值，轮询判断Future状态，如果执行完毕或已取消，则通过get()获取返回值，get()是阻塞的方法，因此会阻塞当前线程，如果通过new Runnable()执行get()方法，那么还是需要返回AsyncResult，然后再通过主线程去get()获取异步线程返回结果。

写法很繁琐，还会阻塞主线程。

下面是FutureTask异步执行流程图：

二、JDK8的CompletableFuture

1、ForkJoinPool

Java8中引入了CompletableFuture，它实现了对Future的全面升级，可以通过回调的方式，获取异步线程返回值。

CompletableFuture的异步执行通过ForkJoinPool实现， 它使用守护线程去执行任务。

ForkJoinPool在于可以充分利用多核CPU的优势，把一个任务拆分成多个小任务，把多个小任务放到多个CPU上并行执行，当多个小任务执行完毕后，再将其执行结果合并起来。

Future的异步执行是通过ThreadPoolExecutor实现的。

2、从ForkJoinPool和ThreadPoolExecutor探索CompletableFuture和Future的区别

  1. ForkJoinPool中的每个线程都会有一个队列，而ThreadPoolExecutor只有一个队列，并根据queue类型不同，细分出各种线程池；
  2. ForkJoinPool在使用过程中，会创建大量的子任务，会进行大量的gc，但是ThreadPoolExecutor不需要，因为ThreadPoolExecutor是任务分配平均的；
  3. ThreadPoolExecutor中每个异步线程之间是相互独立的，当执行速度快的线程执行完毕后，它就会一直处于空闲的状态，等待其它线程执行完毕；
  4. ForkJoinPool中每个异步线程之间并不是绝对独立的，在ForkJoinPool线程池中会维护一个队列来存放需要执行的任务，当线程自身任务执行完毕后，它会从其它线程中获取未执行的任务并帮助它执行，直至所有线程执行完毕。

因此，在多线程任务分配不均时，ForkJoinPool的执行效率更高。但是，如果任务分配均匀，ThreadPoolExecutor的执行效率更高，因为ForkJoinPool会创建大量子任务，并对其进行大量的GC，比较耗时。

三、通过CompletableFuture优化 "通过Future获取异步返回值"

1、通过Future获取异步返回值关键代码

（1）将异步方法的返回值改为Future<Integer>，将返回值放到new AsyncResult<>();中；

java 复制代码 
@Async("async-executor")
public void readXls(String filePath, String filename) {
    try {
    	// 此代码为简化关键性代码
        List<Future<Integer>> futureList = new ArrayList<>();
        for (int time = 0; time < times; time++) {
            Future<Integer> sumFuture = readExcelDataAsyncFutureService.readXlsCacheAsync();
            futureList.add(sumFuture);
        }
    }catch (Exception e){
        logger.error("readXlsCacheAsync---插入数据异常：",e);
    }
}
java 复制代码 
@Async("async-executor")
public Future<Integer> readXlsCacheAsync() {
    try {
        // 此代码为简化关键性代码
        return new AsyncResult<>(sum);
    }catch (Exception e){
        return new AsyncResult<>(0);
    }
}

（2）通过Future<Integer>.get()获取返回值：

java 复制代码 
public static boolean getFutureResult(List<Future<Integer>> futureList, int excelRow) {
    int[] futureSumArr = new int[futureList.size()];
    for (int i = 0;i<futureList.size();i++) {
        try {
            Future<Integer> future = futureList.get(i);
            while (true) {
                if (future.isDone() && !future.isCancelled()) {
                    Integer futureSum = future.get();
                    logger.info("获取Future返回值成功"+"----Future:" + future
                            + ",Result:" + futureSum);
                    futureSumArr[i] += futureSum;
                    break;
                } else {
                    logger.info("Future正在执行---获取Future返回值中---等待3秒");
                    Thread.sleep(3000);
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error("获取Future返回值异常: ", e);
        }
    }
    
    boolean insertFlag = getInsertSum(futureSumArr, excelRow);
    logger.info("获取所有异步线程Future的返回值成功，Excel插入结果="+insertFlag);
    return insertFlag;
}

2、通过CompletableFuture获取异步返回值关键代码

（1）将异步方法的返回值改为 int

java 复制代码 
@Async("async-executor")
public void readXls(String filePath, String filename) {
	List<CompletableFuture<Integer>> completableFutureList = new ArrayList<>();
   	for (int time = 0; time < times; time++) {
    	// 此代码为简化关键性代码
        CompletableFuture<Integer> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
	        @Override
	        public Integer get() {
	            return readExcelDbJdk8Service.readXlsCacheAsyncMybatis();
	        }
	    }).thenApply((result) -> {// 回调方法
	        return thenApplyTest2(result);// supplyAsync返回值 * 1
	    }).thenApply((result) -> {
	        return thenApplyTest5(result);// thenApply返回值 * 1
	    }).exceptionally((e) -> { // 如果执行异常:
	        logger.error("CompletableFuture.supplyAsync----异常：", e);
	        return null;
	    });
	
	    completableFutureList.add(completableFuture);
    }
}
java 复制代码 
@Async("async-executor")
public int readXlsCacheAsync() {
    try {
        // 此代码为简化关键性代码
        return sum;
    }catch (Exception e){
        return -1;
    }
}

（2）通过completableFuture.get()获取返回值

java 复制代码 
public static boolean getCompletableFutureResult(List<CompletableFuture<Integer>> list, int excelRow){
    logger.info("通过completableFuture.get()获取每个异步线程的插入结果----开始");

    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
        Integer result = list.get(i).get();
        sum += result;
    }

    boolean insertFlag = excelRow == sum;
    logger.info("全部执行完毕，excelRow={}，入库={}, 数据是否一致={}",excelRow,sum,insertFlag);
    return insertFlag;
}

3、效率对比

（1）测试环境

  1. 12个逻辑处理器的电脑；
  2. Excel中包含10万条数据；
  3. Future的自定义线程池，核心线程数为24；
  4. ForkJoinPool的核心线程数为24；

（2）统计四种情况下10万数据入库时间

  1. 不获取异步返回值
  2. 通过Future获取异步返回值
  3. 通过CompletableFuture获取异步返回值，默认ForkJoinPool线程池的核心线程数为本机逻辑处理器数量，测试电脑为12；
  4. 通过CompletableFuture获取异步返回值，修改ForkJoinPool线程池的核心线程数为24。

备注：因为CompletableFuture不阻塞主线程，主线程执行时间只有2秒，表格中统计的是异步线程全部执行完成的时间。

（3）设置核心线程数

将核心线程数CorePoolSize设置成CPU的处理器数量，是不是效率最高的？

java 复制代码 
// 获取CPU的处理器数量
int curSystemThreads = Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 2;// 测试电脑是24

因为在接口被调用后，开启异步线程，执行入库任务，因为测试机最多同时开启24线程处理任务，故将10万条数据拆分成等量的24份，也就是10万/24 = 4166，那么我设置成4200，是不是效率最佳呢？

测试的过程中发现，好像真的是这样的。

自定义ForkJoinPool线程池
java 复制代码 
@Autowired
@Qualifier("asyncTaskExecutor")
private Executor asyncTaskExecutor;

@Override
public void readXls(String filePath, String filename) {
 	List<CompletableFuture<Integer>> completableFutureList = new ArrayList<>();
    for (int time = 0; time < times; time++) {
		CompletableFuture<Integer> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
	        @Override
	        public Integer get() {
	            try {
	                return readExcelDbJdk8Service.readXlsCacheAsync(sheet, row, start, finalEnd, insertBuilder);
	            } catch (Exception e) {
	                logger.error("CompletableFuture----readXlsCacheAsync---异常：", e);
	                return -1;
	            }
	        };
	    },asyncTaskExecutor);
	
	    completableFutureList.add(completableFuture);
	}

	// 不会阻塞主线程
    CompletableFuture.allOf(completableFutureList.toArray(new CompletableFuture[completableFutureList.size()])).whenComplete((r,e) -> {
        try {
            int insertSum = getCompletableFutureResult(completableFutureList, excelRow);
        } catch (Exception ex) {
            return;
        }
    });
}
自定义线程池
java 复制代码 
/**
 * 自定义异步线程池
 */
@Bean("asyncTaskExecutor")
public AsyncTaskExecutor asyncTaskExecutor() {
    ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
    //设置线程名称
    executor.setThreadNamePrefix("asyncTask-Executor");
    //设置最大线程数
    executor.setMaxPoolSize(200);
    //设置核心线程数
    executor.setCorePoolSize(24);
    //设置线程空闲时间，默认60
    executor.setKeepAliveSeconds(200);
    //设置队列容量
    executor.setQueueCapacity(50);
    /**
     * 当线程池的任务缓存队列已满并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，如果还有任务到来就会采取任务拒绝策略
     * 通常有以下四种策略：
     * ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
     * ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。
     * ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
     * ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：重试添加当前的任务，自动重复调用 execute() 方法，直到成功
     */
    executor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
    executor.initialize();
    return executor;
}

（4）统计分析

效率对比：

③通过CompletableFuture获取异步返回值（12线程） < ②通过Future获取异步返回值 < ④通过CompletableFuture获取异步返回值（24线程） < ①不获取异步返回值

不获取异步返回值时性能最优，这不废话嘛~

核心线程数相同的情况下，CompletableFuture的入库效率要优于Future的入库效率，10万条数据大概要快4秒钟，这还是相当惊人的，优化的价值就在于此。

四、通过CompletableFuture.allOf解决阻塞主线程问题

1、语法

CompletableFuture.allOf(CompletableFuture的可变数组).whenComplete((r,e) -> {})。

2、代码实例

getCompletableFutureResult方法在 "3.2.2 通过completableFuture.get()获取返回值"。

java 复制代码 
// 不会阻塞主线程
CompletableFuture.allOf(completableFutureList.toArray(new 		CompletableFuture[completableFutureList.size()])).whenComplete((r,e) -> {
    logger.info("全部执行完毕，解决主线程阻塞问题~");
    try {
        int insertSum = getCompletableFutureResult(completableFutureList, excelRow);
    } catch (Exception ex) {
        logger.error("全部执行完毕，解决主线程阻塞问题，异常：", ex);
        return;
    }
});

// 会阻塞主线程
//getCompletableFutureResult(completableFutureList, excelRow);

logger.info("CompletableFuture----会阻塞主线程吗？");

五、CompletableFuture中花俏的语法糖

1、runAsync

runAsync 方法不支持返回值。

可以通过runAsync执行没有返回值的异步方法。

不会阻塞主线程。

java 复制代码 
// 分批异步读取Excel内容并入库
int finalEnd = end;
CompletableFuture.runAsync(() -> readExcelDbJdk8Service.readXlsCacheAsyncMybatis();

2、supplyAsync

supplyAsync也可以异步处理任务，传入的对象实现了Supplier接口。将Supplier作为参数并返回CompletableFuture结果值，这意味着它不接受任何输入参数，而是将result作为输出返回。

会阻塞主线程。

supplyAsync()方法关键代码：

java 复制代码 
int finalEnd = end;
CompletableFuture<Integer> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
    @Override
    public Integer get() {
        return readExcelDbJdk8Service.readXlsCacheAsyncMybatis();
    }
});
java 复制代码 
@Override
public int readXlsCacheAsyncMybatis() {
    // 不为人知的操作
   	// 返回异步方法执行结果即可
	return 100;
}

六、顺序执行异步任务

1、thenRun

thenRun()不接受参数，也没有返回值，与runAsync()配套使用，恰到好处。

java 复制代码 
// JDK8的CompletableFuture
CompletableFuture.runAsync(() -> readExcelDbJdk8Service.readXlsCacheAsyncMybatis())
.thenRun(() -> logger.info("CompletableFuture----.thenRun()方法测试"));

2、thenAccept

thenAccept()接受参数，没有返回值。

supplyAsync + thenAccept

  1. 异步线程顺序执行
  2. supplyAsync的异步返回值，可以作为thenAccept的参数使用
  3. 不会阻塞主线程
java 复制代码 
CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
    @Override
    public Integer get() {
        return readExcelDbJdk8Service.readXlsCacheAsyncMybatis();
    }
}).thenAccept(x -> logger.info(".thenAccept()方法测试：" + x));

但是，此时无法通过completableFuture.get()获取supplyAsync的返回值了。

3、thenApply

thenApply在thenAccept的基础上，可以再次通过completableFuture.get()获取返回值。

supplyAsync + thenApply，典型的链式编程。

  1. 异步线程内方法顺序执行
  2. supplyAsync 的返回值，作为第 1 个thenApply的参数，进行业务处理
  3. 第 1 个thenApply的返回值，作为第 2 个thenApply的参数，进行业务处理
  4. 最后，通过future.get()方法获取最终的返回值
java 复制代码 
CompletableFuture<Integer> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<Integer>() {
	@Override
    public Integer get() {
        return readExcelDbJdk8Service.readXlsCacheAsyncMybatis();
    }
}).thenApply((result) -> {
    return thenApplyTest2(result);// supplyAsync返回值 * 2
}).thenApply((result) -> {
    return thenApplyTest5(result);// thenApply返回值 * 5
});

logger.info("readXlsCacheAsyncMybatis插入数据 * 2 * 5 = " + completableFuture.get());

七、CompletableFuture合并任务

  1. thenCombine，多个异步任务并行处理，有返回值，最后合并结果返回新的CompletableFuture对象；
  2. thenAcceptBoth，多个异步任务并行处理，无返回值；
  3. acceptEither，多个异步任务并行处理，无返回值；
  4. applyToEither，，多个异步任务并行处理，有返回值；

CompletableFuture合并任务的代码实例，这里就不多赘述了，一些语法糖而已，大家切记陷入低水平勤奋的怪圈。

八、CompletableFuture VS Future总结

本文中以下几个方面对比了CompletableFuture和Future的差异：

  1. ForkJoinPool和ThreadPoolExecutor的实现原理，探索了CompletableFuture和Future的差异；
  2. 通过代码实例的形式简单介绍了CompletableFuture中花俏的语法糖；
  3. 通过CompletableFuture优化了 "通过Future获取异步返回值"；
  4. 通过CompletableFuture.allOf解决阻塞主线程问题。

Future提供了异步执行的能力，但Future.get()会通过轮询的方式获取异步返回值，get()方法还会阻塞主线程。

轮询的方式非常消耗CPU资源，阻塞的方式显然与我们的异步初衷背道而驰。

JDK8提供的CompletableFuture实现了Future接口，添加了很多Future不具备的功能，比如链式编程、异常处理回调函数、获取异步结果不阻塞不轮询、合并异步任务等。

获取异步线程结果后，我们可以通过添加事务的方式，实现Excel入库操作的数据一致性。

异步多线程情况下如何实现事务？

有的小伙伴可能会说：

这还不简单？添加@Transactional注解，如果发生异常或入库数据量不符，直接回滚就可以了~

那么，真的是这样吗？我们下期见~

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