本篇文章我们以SpringBoot中异步的使用(包括:异步调用和异步方法两个维度)来进行讲解。

异步请求与同步请求

我们先通过一张图来区分一下异步请求和同步请求的区别:

SpringBoot的四种异步处理,学到了


在上图中有三个角色:客户端、Web容器和业务处理线程。

两个流程中客户端对Web容器的请求,都是同步的。因为它们在请求客户端时都处于阻塞等待状态,并没有进行异步处理。

在Web容器部分,第一个流程采用同步请求,第二个流程采用异步回调的形式。

通过异步处理,可以先释放容器分配给请求的线程与相关资源,减轻系统负担,从而增加了服务器对客户端请求的吞吐量。但并发请求量较大时,通常会通过负载均衡的方案来解决,而不是异步。

Servlet3.0中的异步

Servlet 3.0之前,Servlet采用Thread-Per-Request的方式处理请求,即每一次Http请求都由一个线程从头到尾处理。当涉及到耗时操作时,性能问题便比较明显。

Servlet 3.0中提供了异步处理请求。可以先释放容器分配给请求的线程与相关资源,减轻系统负担,从而增加服务的吞吐量。

Servlet 3.0的异步是通过AsyncContext对象来完成的,它可以从当前线程传给另一个线程,并归还初始线程。新的线程处理完业务可以直接返回结果给客户端。

AsyncContext对象可以从HttpServletRequest中获取:

@RequestMapping("/async")public void async(HttpServletRequest request) {
    AsyncContext asyncContext = request.getAsyncContext();
}

在AsyncContext中提供了获取ServletRequest、ServletResponse和添加监听(addListener)等功能:

public interface AsyncContext {

    ServletRequest getRequest();

    ServletResponse getResponse();

    void addListener(AsyncListener var1);
    
    void setTimeout(long var1);

    // 省略其他方法}

不仅可以通过AsyncContext获取Request和Response等信息,还可以设置异步处理超时时间。通常,超时时间(单位毫秒)是需要设置的,不然无限等下去不就与同步处理一样了。

通过AsyncContext的addListener还可以添加监听事件,用来处理异步线程的开始、完成、异常、超时等事件回调。

addListener方法的参数AsyncListener的源码如下:

public interface AsyncListener extends EventListener {
    // 异步执行完毕时调用    void onComplete(AsyncEvent var1) throws IOException;
    // 异步线程执行超时调用    void onTimeout(AsyncEvent var1) throws IOException;
    // 异步线程出错时调用    void onError(AsyncEvent var1) throws IOException;
    // 异步线程开始时调用    void onStartAsync(AsyncEvent var1) throws IOException;
}

通常,异常或超时时返回调用方错误信息,而异常时会处理一些清理和关闭操作或记录异常日志等。

基于Servlet方式实现异步请求

下面直接看一个基于Servlet方式的异步请求示例:

@GetMapping(value = "/email/send")public void servletReq(HttpServletRequest request) {
    AsyncContext asyncContext = request.startAsync();
    // 设置监听器:可设置其开始、完成、异常、超时等事件的回调处理    asyncContext.addListener(new AsyncListener() {
        @Override
        public void onTimeout(AsyncEvent event) {
            System.out.println("处理超时了...");
        }

        @Override
        public void onStartAsync(AsyncEvent event) {
            System.out.println("线程开始执行");
        }

        @Override
        public void onError(AsyncEvent event) {
            System.out.println("执行过程中发生错误:" + event.getThrowable().getMessage());
        }

        @Override
        public void onComplete(AsyncEvent event) {
            System.out.println("执行完成,释放资源");
        }
    });
    //设置超时时间    asyncContext.setTimeout(6000);
    asyncContext.start(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println("内部线程:" + Thread.currentThread().getName());
                asyncContext.getResponse().getWriter().println("async processing");
            } catch (Exception e) {
                System.out.println("异步处理发生异常:" + e.getMessage());
            }
            // 异步请求完成通知,整个请求完成            asyncContext.complete();
        }
    });
    //此时request的线程连接已经释放了    System.out.println("主线程:" + Thread.currentThread().getName());
}

启动项目,访问对应的URL,打印日志如下:

主线程:http-nio-8080-exec-4内部线程:http-nio-8080-exec-5执行完成,释放资源

可以看出,上述代码先执行完了主线程,也就是程序的最后一行代码的日志打印,然后才是内部线程的执行。内部线程执行完成,AsyncContext的onComplete方法被调用。

如果通过浏览器访问对应的URL,还可以看到该方法的返回值“async processing”。说明内部线程的结果同样正常的返回到客户端了。

基于Spring实现异步请求

基于Spring可以通过Callable、DeferredResult或者WebAsyncTask等方式实现异步请求。

基于Callable实现

对于一次请求(/email),基于Callable的处理流程如下:

1、Spring MVC开启副线程处理业务(将Callable提交到TaskExecutor);

2、DispatcherServlet和所有的Filter退出Web容器的线程,但是response保持打开状态;

3、Callable返回结果,SpringMVC将原始请求重新派发给容器(再重新请求一次/email),恢复之前的处理;

4、DispatcherServlet重新被调用,将结果返回给用户;

代码实现示例如下:

@GetMapping("/email")public Callable<String> order() {
    System.out.println("主线程开始:" + Thread.currentThread().getName());
    Callable<String> result = () -> {
        System.out.println("副线程开始:" + Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("副线程返回:" + Thread.currentThread().getName());
        return "success";
    };

    System.out.println("主线程返回:" + Thread.currentThread().getName());
    return result;
}

访问对应URL,控制台输入日志如下:

主线程开始:http-nio-8080-exec-1主线程返回:http-nio-8080-exec-1副线程开始:task-1副线程返回:task-1

通过日志可以看出,主线程已经完成了,副线程才进行执行。同时,URL返回结果“success”。这也说明一个问题,服务器端的异步处理对客户端来说是不可见的。

Callable默认使用SimpleAsyncTaskExecutor类来执行,这个类非常简单而且没有重用线程。在实践中,需要使用AsyncTaskExecutor类来对线程进行配置。

这里通过实现WebMvcConfigurer接口来完成线程池的配置。

@Configurationpublic class WebConfig implements WebMvcConfigurer {

    @Resource    private ThreadPoolTaskExecutor myThreadPoolTaskExecutor;

    /**
     * 配置线程池
     */    @Bean(name = "asyncPoolTaskExecutor")
    public ThreadPoolTaskExecutor getAsyncThreadPoolTaskExecutor() {
        ThreadPoolTaskExecutor taskExecutor = new ThreadPoolTaskExecutor();
        taskExecutor.setCorePoolSize(2);
        taskExecutor.setMaxPoolSize(10);
        taskExecutor.setQueueCapacity(25);
        taskExecutor.setKeepAliveSeconds(200);
        taskExecutor.setThreadNamePrefix("thread-pool-");
        // 线程池对拒绝任务(无线程可用)的处理策略,目前只支持AbortPolicy、CallerRunsPolicy;默认为后者        taskExecutor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
        taskExecutor.initialize();
        return taskExecutor;
    }

    @Override    public void configureAsyncSupport(final AsyncSupportConfigurer configurer) {
        // 处理callable超时        configurer.setDefaultTimeout(60 * 1000);
        configurer.setTaskExecutor(myThreadPoolTaskExecutor);
        configurer.registerCallableInterceptors(timeoutCallableProcessingInterceptor());
    }

    @Bean    public TimeoutCallableProcessingInterceptor timeoutCallableProcessingInterceptor() {
        return new TimeoutCallableProcessingInterceptor();
    }
}

为了验证打印的线程,我们将实例代码中的System.out.println替换成日志输出,会发现在使用线程池之前,打印日志如下:

2021-02-21 09:45:37.144  INFO 8312 --- [nio-8080-exec-1] c.s.learn.controller.AsynController      : 主线程开始:http-nio-8080-exec-12021-02-21 09:45:37.144  INFO 8312 --- [nio-8080-exec-1] c.s.learn.controller.AsynController      : 主线程返回:http-nio-8080-exec-12021-02-21 09:45:37.148  INFO 8312 --- [         task-1] c.s.learn.controller.AsynController      : 副线程开始:task-12021-02-21 09:45:38.153  INFO 8312 --- [         task-1] c.s.learn.controller.AsynController      : 副线程返回:task-1

线程名称为“task-1”。让线程池生效之后,打印日志如下:

2021-02-21 09:50:28.950  INFO 8339 --- [nio-8080-exec-1] c.s.learn.controller.AsynController      : 主线程开始:http-nio-8080-exec-12021-02-21 09:50:28.951  INFO 8339 --- [nio-8080-exec-1] c.s.learn.controller.AsynController      : 主线程返回:http-nio-8080-exec-12021-02-21 09:50:28.955  INFO 8339 --- [  thread-pool-1] c.s.learn.controller.AsynController      : 副线程开始:thread-pool-12021-02-21 09:50:29.956  INFO 8339 --- [  thread-pool-1] c.s.learn.controller.AsynController      : 副线程返回:thread-pool-1

线程名称为“thread-pool-1”,其中前面的“thread-pool”正是我们配置的线程池前缀。

除了线程池的配置,还可以配置统一异常处理,这里就不再演示了。

基于WebAsyncTask实现

Spring提供的WebAsyncTask是对Callable的包装,提供了更强大的功能,比如:处理超时回调、错误回调、完成回调等。

@GetMapping("/webAsyncTask")public WebAsyncTask<String> webAsyncTask() {
    log.info("外部线程:" + Thread.currentThread().getName());
    WebAsyncTask<String> result = new WebAsyncTask<>(60 * 1000L, new Callable<String>() {
        @Override        public String call() {
            log.info("内部线程:" + Thread.currentThread().getName());
            return "success";
        }
    });
    result.onTimeout(new Callable<String>() {
        @Override        public String call() {
            log.info("timeout callback");
            return "timeout callback";
        }
    });
    result.onCompletion(new Runnable() {
        @Override        public void run() {
            log.info("finish callback");
        }
    });
    return result;
}

访问对应请求,打印日志:

2021-02-21 10:22:33.028  INFO 8547 --- [nio-8080-exec-1] c.s.learn.controller.AsynController      : 外部线程:http-nio-8080-exec-12021-02-21 10:22:33.033  INFO 8547 --- [  thread-pool-1] c.s.learn.controller.AsynController      : 内部线程:thread-pool-12021-02-21 10:22:33.055  INFO 8547 --- [nio-8080-exec-2] c.s.learn.controller.AsynController      : finish callback

基于DeferredResult实现

DeferredResult使用方式与Callable类似,但在返回结果时不一样,它返回的时实际结果可能没有生成,实际的结果可能会在另外的线程里面设置到DeferredResult中去。

DeferredResult的这个特性对实现服务端推技术、订单过期时间处理、长轮询、模拟MQ的功能等高级应用非常重要。

关于DeferredResult的使用先来看一下官方的例子和说明:

@RequestMapping("/quotes")@ResponseBodypublic DeferredResult<String> quotes() {
  DeferredResult<String> deferredResult = new DeferredResult<String>();
  // Save the deferredResult in in-memory queue ...  return deferredResult;
}// In some other thread...deferredResult.setResult(data);

上述示例中我们可以发现DeferredResult的调用并不一定在Spring MVC当中,它可以是别的线程。官方的解释也是如此:

In this case the return value will also be produced from a separate thread. However, that thread is not known to Spring MVC. For example the result may be produced in response to some external event such as a JMS message, a scheduled task, etc.

也就是说,DeferredResult返回的结果也可能是由MQ、定时任务或其他线程触发。来个实例:

@Controller@RequestMapping("/async/controller")public class AsyncHelloController {

    private List<DeferredResult<String>> deferredResultList = new ArrayList<>();

    @ResponseBody    @GetMapping("/hello")
    public DeferredResult<String> helloGet() throws Exception {
        DeferredResult<String> deferredResult = new DeferredResult<>();

        //先存起来,等待触发        deferredResultList.add(deferredResult);
        return deferredResult;
    }

    @ResponseBody    @GetMapping("/setHelloToAll")
    public void helloSet() throws Exception {
        // 让所有hold住的请求给与响应        deferredResultList.forEach(d -> d.setResult("say hello to all"));
    }
}

第一个请求/hello,会先将deferredResult存起来,前端页面是一直等待(转圈)状态。直到发第二个请求:setHelloToAll,所有的相关页面才会有响应。

整个执行流程如下:

  • controller返回一个DeferredResult,把它保存到内存里或者List里面(供后续访问);
  • Spring MVC调用request.startAsync(),开启异步处理;与此同时将DispatcherServlet里的拦截器、Filter等等都马上退出主线程,但是response仍然保持打开的状态;
  • 应用通过另外一个线程(可能是MQ消息、定时任务等)给DeferredResult#setResult值。然后SpringMVC会把这个请求再次派发给servlet容器;
  • DispatcherServlet再次被调用,然后处理后续的标准流程;

通过上述流程可以发现:利用DeferredResult可实现一些长连接的功能,比如当某个操作是异步时,可以先保存对应的DeferredResult对象,当异步通知回来时,再找到这个DeferredResult对象,在setResult处理结果即可。从而提高性能。

SpringBoot中的异步实现

在SpringBoot中将一个方法声明为异步方法非常简单,只需两个注解即可@EnableAsync和@Async。其中@EnableAsync用于开启SpringBoot支持异步的功能,用在SpringBoot的启动类上。@Async用于方法上,标记该方法为异步处理方法。

需要注意的是@Async并不支持用于被@Configuration注解的类的方法上。同一个类中,一个方法调用另外一个有@Async的方法,注解也是不会生效的。

@EnableAsync的使用示例:

@SpringBootApplication@EnableAsyncpublic class App {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(App.class, args);
    }
}

@Async的使用示例:

@Servicepublic class SyncService {
    
    @Async    public void asyncEvent() {
        // 业务处理    }
}

@Async注解的使用与Callable有类似之处,在默认情况下使用的都是SimpleAsyncTaskExecutor线程池,可参考Callable中的方式来自定义线程池。

下面通过一个实例来验证一下,启动类上使用@EnableAsync,然后定义Controller类:

@RestControllerpublic class IndexController {
    
    @Resource    private UserService userService;
    
    @RequestMapping("/async")    public String async(){
        System.out.println("--IndexController--1");
        userService.sendSms();
        System.out.println("--IndexController--4");
        return "success";
    }
}

定义Service及异步方法:

@Servicepublic class UserService {

    @Async
    public void sendSms(){
        System.out.println("--sendSms--2");
        IntStream.range(0, 5).forEach(d -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        System.out.println("--sendSms--3");
    }
}

如果先注释掉@EnableAsync和@Async注解,即正常情况下的业务请求,打印日志为:

--IndexController--1--sendSms--2--sendSms--3--IndexController--4

使用@EnableAsync和@Async注解时,打印日志如下:

--IndexController--1--IndexController--4--sendSms--2--sendSms--3

通过日志的对比我们可以看出,使用了@Async的方法,会被当成一个子线程。所以,整个sendSms方法会在主线程执行完了之后执行。

这样的效果是不是跟我们上面使用的其他形式的异步异曲同工?所以在文章最开始已经说到,网络上所谓的“异步调用与异步请求的区别”是并不存储在的,本质上都是一回事,只不过实现形式不同而已。这里所提到异步方法,也就是将方法进行异步处理而已。

@Async、WebAsyncTask、Callable、DeferredResult的区别

所在的包不同:

  • @Async:org.springframework.scheduling.annotation;
  • WebAsyncTask:org.springframework.web.context.request.async;
  • Callable:java.util.concurrent;
  • DeferredResult:org.springframework.web.context.request.async;

通过所在的包,我们应该隐隐约约感到一些区别,比如@Async是位于scheduling包中,而WebAsyncTask和DeferredResult是用于Web(Spring MVC)的,而Callable是用于concurrent(并发)处理的。

对于Callable,通常用于Controller方法的异步请求,当然也可以用于替换Runable的方式。在方法的返回上与正常的方法有所区别:

// 普通方法public String aMethod(){
}// 对照Callable方法public Callable<String>  aMethod(){
}

而WebAsyncTask是对Callable的封装,提供了一些事件回调的处理,本质上区别不大。

DeferredResult使用方式与Callable类似,重点在于跨线程之间的通信。

@Async也是替换Runable的一种方式,可以代替我们自己创建线程。而且适用的范围更广,并不局限于Controller层,而可以是任何层的方法上。

当然,大家也可以从返回结果,异常处理等角度来分析一下,这里就不再展开了。

小结

经过上述的一步步分析,大家应该对于Servlet3.0及Spring中对异步处理有所了解。当了解了这些基础理论,实战实例,使用方法及注意事项之后,想必更能够对网络上的相关知识能够进一步的去伪存真。