Java 中的异步方法调用模式：使用异步编程提升性能

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也称为

异步过程调用

异步方法调用设计模式的意图

异步方法调用模式旨在通过允许方法异步调用来增强并发性。这种模式有助于执行并行任务，减少等待时间并提高系统吞吐量。

异步方法调用模式的详细解释，以及现实世界的例子

现实世界的例子

异步方法调用使非阻塞操作成为可能，允许多个进程并发运行。这种模式在需要高可扩展性和性能的应用程序中特别有用，例如 Web 服务器和微服务。
在航天火箭的背景下，异步方法调用模式的类似示例可以在任务控制中心和火箭机载系统之间的通信中看到。当任务控制中心向火箭发送命令调整其轨迹或执行系统检查时，他们不会空闲地等待火箭完成任务并报告回来。相反，任务控制中心继续监控任务的其他方面并管理不同的任务。火箭异步执行命令，并在操作完成后向任务控制中心发送状态更新或结果。这使任务控制能够有效地管理多个并发操作，而不会被任何单个任务阻塞，类似于异步方法调用在软件系统中的工作方式。

通俗地说

异步方法调用启动任务处理并在任务准备就绪之前立即返回。任务处理的结果将在稍后返回给调用者。

维基百科说

在多线程计算机编程中，异步方法调用 (AMI)，也称为异步方法调用或异步模式，是一种设计模式，其中调用方在等待被调用代码完成时不会被阻塞。相反，调用线程在收到回复时会收到通知。轮询回复是不希望的选择。

Java 中异步方法调用模式的编程示例

假设需要同时执行多个任务。使用异步方法调用模式，您可以启动这些任务，而无需等待每个任务完成，从而优化资源使用并减少延迟。

在这个例子中，我们正在发射航天火箭并部署月球漫游车。

应用程序演示了异步方法调用模式。该模式的关键部分是AsyncResult，它是一个用于异步计算值的中间容器，AsyncCallback，它可以在任务完成后执行，以及AsyncExecutor，它管理异步任务的执行。

public interface AsyncResult<T> {
    boolean isCompleted();

    T getValue() throws ExecutionException;

    void await() throws InterruptedException;
}

public interface AsyncCallback<T> {
    void onComplete(T value);

    void onError(Exception ex);
}

public interface AsyncExecutor {
    <T> AsyncResult<T> startProcess(Callable<T> task);

    <T> AsyncResult<T> startProcess(Callable<T> task, AsyncCallback<T> callback);

    <T> T endProcess(AsyncResult<T> asyncResult) throws ExecutionException, InterruptedException;
}

ThreadAsyncExecutor是AsyncExecutor的实现。接下来将重点介绍其一些关键部分。

public class ThreadAsyncExecutor implements AsyncExecutor {

    @Override
    public <T> AsyncResult<T> startProcess(Callable<T> task) {
        return startProcess(task, null);
    }

    @Override
    public <T> AsyncResult<T> startProcess(Callable<T> task, AsyncCallback<T> callback) {
        var result = new CompletableResult<>(callback);
        new Thread(
                () -> {
                    try {
                        result.setValue(task.call());
                    } catch (Exception ex) {
                        result.setException(ex);
                    }
                },
                "executor-" + idx.incrementAndGet())
                .start();
        return result;
    }

    @Override
    public <T> T endProcess(AsyncResult<T> asyncResult)
            throws ExecutionException, InterruptedException {
        if (!asyncResult.isCompleted()) {
            asyncResult.await();
        }
        return asyncResult.getValue();
    }
}

然后我们准备发射一些火箭，看看一切是如何协同工作的。

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    // construct a new executor that will run async tasks
    var executor = new ThreadAsyncExecutor();

    // start few async tasks with varying processing times, two last with callback handlers
    final var asyncResult1 = executor.startProcess(lazyval(10, 500));
    final var asyncResult2 = executor.startProcess(lazyval("test", 300));
    final var asyncResult3 = executor.startProcess(lazyval(50L, 700));
    final var asyncResult4 = executor.startProcess(lazyval(20, 400),
            callback("Deploying lunar rover"));
    final var asyncResult5 =
            executor.startProcess(lazyval("callback", 600), callback("Deploying lunar rover"));

    // emulate processing in the current thread while async tasks are running in their own threads
    Thread.sleep(350); // Oh boy, we are working hard here
    log("Mission command is sipping coffee");

    // wait for completion of the tasks
    final var result1 = executor.endProcess(asyncResult1);
    final var result2 = executor.endProcess(asyncResult2);
    final var result3 = executor.endProcess(asyncResult3);
    asyncResult4.await();
    asyncResult5.await();

    // log the results of the tasks, callbacks log immediately when complete
    log(String.format(ROCKET_LAUNCH_LOG_PATTERN, result1));
    log(String.format(ROCKET_LAUNCH_LOG_PATTERN, result2));
    log(String.format(ROCKET_LAUNCH_LOG_PATTERN, result3));
}

以下是程序控制台输出。

21:47:08.227[executor-2]INFO com.iluwatar.async.method.invocation.App-Space rocket<test> launched successfully
21:47:08.269[main]INFO com.iluwatar.async.method.invocation.App-Mission command is sipping coffee
21:47:08.318[executor-4]INFO com.iluwatar.async.method.invocation.App-Space rocket<20>launched successfully
21:47:08.335[executor-4]INFO com.iluwatar.async.method.invocation.App-Deploying lunar rover<20>
21:47:08.414[executor-1]INFO com.iluwatar.async.method.invocation.App-Space rocket<10>launched successfully
21:47:08.519[executor-5]INFO com.iluwatar.async.method.invocation.App-Space rocket<callback> launched successfully
21:47:08.519[executor-5]INFO com.iluwatar.async.method.invocation.App-Deploying lunar rover<callback>
21:47:08.616[executor-3]INFO com.iluwatar.async.method.invocation.App-Space rocket<50>launched successfully
21:47:08.617[main]INFO com.iluwatar.async.method.invocation.App-Space rocket<10>launch complete
21:47:08.617[main]INFO com.iluwatar.async.method.invocation.App-Space rocket<test> launch complete
21:47:08.618[main]INFO com.iluwatar.async.method.invocation.App-Space rocket<50>launch complete