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怎么利用异步设计提升系统性能？

来源：博客园

异步是一种程序设计的思想，使用异步模式设计的程序可以显著减少线程等待，从而在高吞吐量的场景中，极大提升系统的整体性能，降低请求时延。


(资料图片)

同步设计流程

我们假设要做一个转账的业务，即从账户A中转账100元到账户B中，它包含2步：

  1. 从A的账户中减少100元
  2. 给B的账户增加100元

我们可以设计2个Service：

  • Transfer服务，负责转账，接口是Transfer(A, B, 100)
  • Account服务，负责账户管理，接口是Add(A, -100)和Add(B, 100)

转账业务的伪代码如下：

Transfer(accountFrom, accountTo, amount){    Add(accountFrom, -1*amount)    Add(accountTo, 1*amount)    return OK}

假设Add操作的平均响应时延是50ms，那么我们的Transfer操作平均实验大约是100ms。在实际运行过程中，每处理一次Transfer操作，需要耗时100ms，并且在100ms内需要独占一个线程，即每个线程每秒最多可以处理10次Transfer操作。

假设我们在一个服务器上同时打开的线程数量上限是10000，那么这个服务器每秒可以处理的请求上限是：10000*10 = 100000次。

当客户请求数量超过上限时，请求就需要排队，那么Transfer操作的响应时延变成：排队等待时延+处理时延（100ms），即在大量请求的场景中，我们的服务响应时延增加了。

但是，在这种情况下，服务器的资源并没有被消耗很多，例如CPU、内存、网卡等资源都很空闲，我们的100000个线程大部分时间在等待Add操作返回结果。

上面就是同步设计方式，在这种情况下，整个服务器的所有线程大部分时间都没有在工作，而是在等待。

异步设计流程

对于同样的业务场景，我们来看一下异步方式下的伪代码：

TransferAsync(accountFrom, accountTo, amount, OnComplete){    AddAsync(accountFrom, -1*amount, OnDebit(accountTo, 1*amount, OnAllDone(OnComplete)))}OnDebit(amountTo, amount, OnAllDone(OnComplete)){    AddAsync(accountTo, amount, OnAllDone(OnComplete))}OnAllDone(OnComplete){    OnComplete()}

这里TransferAsync和之前的Transfer相比，增加了一个参数，这个参数是一个回调方法OnComplete()。

上面方法的语义：请帮我执行转账操作，当转账完成后，请调用OnComplete（）方法，调用TransferAsync的线程不必等待转账完成就可以立即返回，当转账结束后，OnComplete()方法会被调用来执行后续的工作。

上面代码中，我们定义了2个回调方法：

  1. OnDebit()：扣减账户accountFrom完成后调用的回调方法
  2. OnAllDone()：转入账户accountTop完成后调用的回调方法

整个异步操作的语义如下：

  1. 异步从accountFrom的账户中减去相应的钱数，然后调用OnDebit方法
  2. 在OnDebit方法中，异步把减去的钱数加到accountTop账户中，然后执行OnAllDone方法
  3. 在OnAllDone方法中，调用OnComplete方法

采用异步方式后，整个流程的时序和同步实现是完全一样的，区别在于线程模型由同步顺序调用改为异步调用和回调的机制。

由于流程的时序和同步方式相同，在低请求量的场景下，平均响应时延还是100ms，在超高请求量的场景下，异步机制不需要线程等待执行结果，只需要个位数的线程，即可实现同步场景大量线程一样的吞吐量。

在异步模式下，由于没有了线程数量上的限制，总体吞吐量上限会大大超过同步实现，并且在服务器CPU、网络带宽资源达到极限之前，响应时延不会随着请求数量增加而显著升高，几乎可以一直保持100ms左右的响应时延。

异步框架：CompletableFuture

Java语言中常用的异步框架包括CompletableFuture和RxJava，我们主要来看CompletableFuture。

它是Java 8中新增的一个强大的异步编程的类，包括了我们在开发异步程序过程中需要的大部分功能。

针对上述的转账场景，我们来看一下如何使用CompletableFuture实现。

首先定义2个接口：

public interface AccountService {    CompletableFuture add(int account, int amount);}
public interface TransferService {    CompletableFuture transfer(int fromAccount, int toAccount, int amount);}

然后实现转账功能：

public class TransferServiceImpl implements TransferService {    @Inject    private  AccountService accountService;     @Override    public CompletableFuture transfer(int fromAccount, int toAccount, int amount) {      return accountService.add(fromAccount, -1 * amount)        .thenCompose(v -> accountService.add(toAccount, amount));        }}

客户端调用TransferService时，可以使用同步方式，也可以使用异步方式：

public class Client {    @Inject    private TransferService transferService;     private final static int A = 1000;    private final static int B = 1001;    public void syncInvoke() throws ExecutionException, InterruptedException {        // 同步调用        transferService.transfer(A, B, 100).get();        System.out.println("转账完成！");    }    public void asyncInvoke() {        // 异步调用        transferService.transfer(A, B, 100)            .thenRun(() -> System.out.println("转账完成！"));    }}

异步设计的思想：当我们要执行一项比较耗时的操作时，不去等待操作结束，而是给这个操作一个命令：“当操作完成后，接下来去执行什么”。

使用异步编程带来的好处是可以减少或者避免线程等待，只用很少的线程就可以达到超高的吞吐能力。

使用异步编程带来的问题是复杂度增加，代码可读性和可维护性会下降。

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