这,就是响应式编程!(如何用更少的线程做更多的事)

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在实际工作场景中,我们往往要面对各种各样的优化问题:

  1. 接口 RTS 时间太长?异步优化!
  2. 批处理任务执行时间太长?并行优化!
  3. CPU 利用率太低?多线程优化!

在各种各样的场景优化中,我们最常用到的技术是多线程 + 线程池的方案。

即:起一个线程池,进行异步处理 or 对批量任务进行多线程并行处理。

优化的本质是利用更少的资源执行相同或者更多的任务,但是哪怕你在代码中多次使用了线程池,大概率你的应用实例 CPU 利用率依然是不温不火的。

因为像我们这种性能瓶颈在 IO 的 web 应用,只依靠多线程技术并不能非常好的提高你的资源使用率,反而有可能线程变多了,IO 瓶颈还在,大量的线程只是在徒增上下文切换。

1. 线程池任务示例

这里我将举一个小小例子的来说明这点:

java 复制代码
public void completionServiceTest() throws InterruptedException, ExecutionException {
        // 创建线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100);

        // 创建 CompletionService
        CompletionService<String> completionService = new ExecutorCompletionService<>(executor);

        // 创建计数器
        AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            completionService.submit(() -> {
                count.incrementAndGet();
                String json = HttpUtil
                        .get("https://dict-mobile.iciba.com/interface/index.php?c=word&m=getsuggest&nums=10&is_need_mean=1&word=h");
                return json;
            });
        }

        completionService.take().get();
        logger.info("count: " + count.get());
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        ReactorTest test = new ReactorTest();
        test.completionServiceTest();
    }

这里我创建了一个 100 个线程的线程池,接着使用 CompletionService 来管理线程池中的任务,接着为这个线程池添加了一万个任务,每个任务就计数+1,接着发送一个请求,用来模拟网络 IO。

当线程池中的第一个任务结束时,主程序会退出(在 main 方法中调用,所以方法执行结束后,主程序会退出,第一个任务没有结束之前,会被 get 方法 pending 住),然后打印总共执行了多少个任务。

最终的打印结果会在 100 - 110 浮动,这个浮动其实可以忽略不计,因为count 计数是先 IO 一步的,count 增加了,不代表任务就结束了。

所以按照理论数值来说,100 个线程,其实可以同时执行的任务是 100(由于发送请求时依赖 http 客户端,所以如果你使用公用 http 连接池,结果可能会小于 100),那就出现了一个问题:

发送请求会阻塞 IO,那么在等待返回的过程中,线程此刻其实是空闲的,空闲的线程应该去执行其他任务的代码,这样才能提高 CPU 的利率,而不是傻傻的等待。

这一切是原因就是:线程执行过程中,依然是同步的,所以在遇到网络 IO 时,线程会被完全阻塞。

那么如何解决呢?

2. Reactor事件驱动带来的增益

聪明的同学可能从标题就猜出来我要讲 Reactor 模式(它是什么不再赘述)和其最强实现:Netty。

但是这次,有亿点点不一样,我们在使用 Netty 的过程中往往是作为服务端使用,在其实对于很多场景我们需要的是一个:实现了 Reactor 事件驱动的 Http 客户端(下面简称:响应式客户端)。

比如你的业务大量依赖第三方的接口,这其实很常见,因为第三方不光是外部系统,你的微服务的下游都可以算作你的第三方。

这时你如果依然使用 http 同步调用就会在 IO 时阻塞,而你如果使用一个响应式客户端就可以在网络 IO 时,去做其他任务中的耗费 CPU 的操作:数据转换、编解码和加密。

通过这种方式,就可以加快任务执行效率,比如你的任务分为两个步骤:

  1. 步骤一是编解码和数据加密。
  2. 步骤二是将组装好的数据通过 http 客户端发出去。

那么如果你使用线程池,同时发出去 100 个请求在进行 IO 等待时,其他已提交的任务中的步骤一并不会被执行,但是你使用响应式客户端却可以。

接下来来看两个比较常用的响应式客户端的例子:Vert.x 和 Spring Webflux,这俩都是基于 Netty的,因为 Netty 自己的客户端用起来比较复杂,才会有 Vert.x 这样的库~

Vert.x 目前属于 Eclipse 基金会,Eclipse这个名字估计大家比好久都没听过了,Vert.x 一开始只是一个响应式编程工具包,现在已经是一个构建于 JVM 上的响应式编程生态了,本次我们将使用到它的 Vert.x Web Client。

至于Spring Webflux,用过 Spring Gateway 的同学可能比较了解,它是 Spring Gateway 中的默认 Web 服务器,也是 Spring 家族自己开发的响应式编程 Web 服务器。

3. Vert.x & Spring WebFlux

先来引入一下依赖:

xml 复制代码
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-webflux</artifactId>
            <version>3.2.0</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>io.vertx</groupId>
            <artifactId>vertx-web-client</artifactId>
            <version>4.5.7</version>
        </dependency>

接下来是两个和上面线程池一样的示例,不同的是 Http 客户端不再使用 JDK 自带的,而是换成了这两个框架的:

java 复制代码
package reactor;

import cn.hutool.http.HttpUtil;
import io.vertx.core.Vertx;
import io.vertx.ext.web.client.WebClient;
import io.vertx.ext.web.client.WebClientOptions;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.http.client.reactive.ReactorClientHttpConnector;
import reactor.core.publisher.Flux;
import reactor.netty.http.client.HttpClient;
import reactor.netty.resources.ConnectionProvider;

import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class ReactorTest {

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

    public void vertxTest() throws InterruptedException {

        Vertx vertx = Vertx.vertx();
        WebClientOptions options = new WebClientOptions()
                .setMaxPoolSize(100)
                .setConnectTimeout(5000)
                .setIdleTimeout(60000)
                .setKeepAlive(true);

        WebClient client = WebClient.create(vertx, options);

        AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
        logger.info("START");

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            count.incrementAndGet();
            client
                    .get("suggest.taobao.com", "/sug?code=utf-8&q=%E5%8D%AB%E8%A1%A3&callback=cb")
                    .send()
                    .onSuccess(response -> {
                        logger.info("success count:" + count.get());
                        System.exit(0);
                    })
                    .onFailure(error -> {
                        logger.error(error.getLocalizedMessage());
                        logger.info("error count:" + count.get());
                        System.exit(0);
                    });

        }
    }

    public void webFluxTest() {

        HttpClient httpClient = HttpClient.create(ConnectionProvider.builder("webFlux").maxConnections(1000).build());
        ReactorClientHttpConnector connector = new ReactorClientHttpConnector(httpClient);
        org.springframework.web.reactive.function.client.WebClient client = org.springframework.web.reactive.function.client.WebClient.builder()
                .clientConnector(connector)
                .build();

        AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

        // 循环 0-1000 执行 1000 次 flatMap 中的代码
        Flux.range(0, 1000)
                .flatMap(i -> {
                    count.incrementAndGet();
                    return client.get()
                            .uri("https://suggest.taobao.com/sug?code=utf-8&q=%E5%8D%AB%E8%A1%A3&callback=cb")
                            .retrieve()
                            .bodyToMono(String.class);
                        }
                )
                .subscribe(
                        result -> {
                            logger.info(result);
                            logger.info("success count:" + count.get());
                            System.exit(0);
                        },
                        error -> {
                            logger.info("error count:" + count.get());
                            System.exit(0);
                        }
                );
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReactorTest test = new ReactorTest();
        test.vertxTest();
//        test.webFluxTest();
        Thread.sleep(10000);
    }
}

值得注意的一点是,当我们使用线程池时会设置线程池大小,但是使用这两个框架时,一般是不用显式设置线程池的。

Vert.x 示例中的 setMaxPoolSize 参数是指设置HTTP连接池大小, Spring WebFlux 中的 maxConnections 参数也是指设置HTTP连接池大小。

至于线程池,一般都是默认 CPU 核心 * 2,因为我们的性能瓶颈在 IO,所以使用很少的线程也完全足以应付大量的请求(Node JS 还是单线程模型,也不妨碍它做后端服务器),也这是 Netty 单机十万并发的由来。

接下来大家可以猜一下,执行结果是什么?

Vert.x 的 count 结果是 1000。

Spring WebFlux 的结果是 256。

理论上来说经过我们上面的介绍,这里 Spring WebFlux 的结果也应该是 1000,留个思考题,为什么会这样?

总之,大家可以看到,用默认的 CPU * 2 的线程数,Vert.x 却同时执行了 1000 个任务,这在传统线程池的方案中是完全不可能的。

这,就是响应式编程。

几点补充

在张哈希张哥(掘金张哥真多~)的提醒下,我觉得有必要做几点补充。

  1. 宽带和网卡也是制约你能同时发起多少请求的限制,并不只是代码。
  2. 能够同时发起的请求数是根据连接池的配置来的,但是第三方可能也对你有限制,对方可能限制你的链接数量。
  3. 如果你的连接数量过大,CDN 也可能会拦截你的连接。

同时也感谢张哥和他的群友们在这个问题上对我的帮助,张哥也发文章简单记录了一下,点击这里

感谢大家能看到这,同时也希望大家能对本篇点点赞,点赞过 100 一周内更新更多高级 Java 知识,有任何问题都可以在评论区一块讨论,祝有好收获。

注:本文中的唯一图片来自 Vert.x China。

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