Java 中的半同步/半异步模式：通过双重处理提高系统性能

大约 3 分钟

也称为

异步-同步桥
半同步/半异步

半同步/半异步设计模式的意图

Java 中的半同步/半异步模式旨在解耦并发系统中的异步和同步处理，从而提高效率和性能。这种模式对于管理软件系统中复杂的并发操作特别有用。

结合实际案例详细解释半同步/半异步模式

现实生活中的例子

想象一个繁忙的餐厅厨房，其中点餐是异步的，允许服务员在厨师同步烹饪每道菜时继续工作。类似地，半同步/半异步模式有效地处理了 Java 应用程序中的多个异步任务和同步处理。同时，烹饪（同步部分）遵循特定的顺序，并且需要等待每道菜准备好才能开始下一道菜。这种设置使餐厅能够高效地处理多个客户订单，同时确保每道菜都以所需的注意力和时间进行烹饪，就像半同步/半异步模式在软件系统中管理异步任务和同步处理一样。

通俗地说

半同步/半异步模式将操作分为异步任务，这些任务处理事件而不等待，以及同步任务，这些任务以有序且阻塞的方式处理这些事件。

维基百科说

半同步/半异步设计模式用于解决应用程序的一部分同步运行而另一部分异步运行，并且这两个模块需要相互通信的情况。

Java 中半同步/半异步模式的编程示例

半同步/半异步设计模式是一种并发模式，它将系统中的同步和异步处理分离，简化了编程模型，而不会影响性能。它在您拥有混合的短、中和长时间任务的场景中特别有用。

在提供的 Java 实现中，我们可以看到 App、AsynchronousService 和 ArithmeticSumTask 类中半同步/半异步模式的示例。

App 类是应用程序的入口点。它创建 AsynchronousService 的实例并使用它来异步处理各种任务。

public class App {

  public static void main(String[] args) {
    var service = new AsynchronousService(new LinkedBlockingQueue<>());
    service.execute(new ArithmeticSumTask(1000));
    service.execute(new ArithmeticSumTask(500));
    service.execute(new ArithmeticSumTask(2000));
    service.execute(new ArithmeticSumTask(1));
    service.close();
  }
}

AsynchronousService 类是系统中的异步部分。它管理任务队列并在单独的线程中处理它们。

public class AsynchronousService {
  // Implementation details...
}

ArithmeticSumTask 类表示可以异步处理的任务。它实现了 AsyncTask 接口，该接口定义了用于预处理、后处理和错误处理的方法。

static class ArithmeticSumTask implements AsyncTask<Long> {
  private final long numberOfElements;

  public ArithmeticSumTask(long numberOfElements) {
    this.numberOfElements = numberOfElements;
  }

  @Override
  public Long call() throws Exception {
    return ap(numberOfElements);
  }

  @Override
  public void onPreCall() {
    if (numberOfElements < 0) {
      throw new IllegalArgumentException("n is less than 0");
    }
  }

  @Override
  public void onPostCall(Long result) {
    LOGGER.info(result.toString());
  }

  @Override
  public void onError(Throwable throwable) {
    throw new IllegalStateException("Should not occur");
  }
}

这是 App 类中的 main 函数。

public static void main(String[] args) {
    
    var service = new AsynchronousService(new LinkedBlockingQueue<>());

    service.execute(new ArithmeticSumTask(1000));

    service.execute(new ArithmeticSumTask(500));
    service.execute(new ArithmeticSumTask(2000));
    service.execute(new ArithmeticSumTask(1));

    service.close();
}

在这个例子中，App 类将任务排队到 AsynchronousService，后者异步处理它们。ArithmeticSumTask 类定义了要处理的任务，包括预处理、实际处理和后处理步骤。

运行代码产生

10:56:33.922 [pool-1-thread-4] INFO com.iluwatar.halfsynchalfasync.App -- 1
10:56:34.425 [pool-1-thread-2] INFO com.iluwatar.halfsynchalfasync.App -- 125250
10:56:34.925 [pool-1-thread-1] INFO com.iluwatar.halfsynchalfasync.App -- 500500
10:56:35.925 [pool-1-thread-3] INFO com.iluwatar.halfsynchalfasync.App -- 2001000

这是一个半同步/半异步模式的基本示例，其中任务异步排队和处理，而主线程继续处理其他任务。

何时在 Java 中使用半同步/半异步模式

在以下场景中使用半同步/半异步模式：

高性能和高效并发至关重要，例如 Java 标准库和网络服务器管理并发连接。
系统需要有效利用多核架构，在异步和同步处理之间平衡任务。
异步任务与同步处理的解耦对于简化设计和实现是必要的。

Java 中半同步/半异步模式的实际应用

半同步/半异步模式被用于各种框架和系统，包括 BSD Unix 网络、实时 CORBA 和 Android 的 AsyncTask 框架。
Java 标准库在并发实用程序（例如，java.util.concurrent）中使用线程池和执行队列来利用这种模式。
处理并发连接的网络服务器，其中 IO 操作异步处理，请求处理同步完成。

半同步/半异步模式的优点和权衡

好处

此模式通过将阻塞操作与非阻塞操作隔离来提高系统响应能力和吞吐量，使其成为 Java 并发中宝贵的设计模式。
通过隔离异步和同步处理层来简化编程模型。

权衡

在管理两种不同的处理模式方面增加了复杂性。
需要仔细设计以避免同步和异步部分之间的瓶颈。

领导者/追随者：两种模式都管理线程分配和并发，但领导者/追随者使用单个线程来处理所有 I/O 事件，将工作分派给其他人。
生产者/消费者：可以与半同步/半异步集成以管理异步和同步部分之间的工作队列。
反应堆：通常与半同步/半异步一起使用，以处理传递到服务处理程序的多个服务请求，而不会阻塞处理程序。