【Java设计模式】异步方法调用模式：通过异步编程提升性能

一、概述

在Java开发中，异步方法调用模式是一种重要的并发编程模式，它可以提高应用程序的性能、可扩展性和响应能力。本文将详细介绍异步方法调用模式的意图、解释、编程示例、适用场景以及实际应用。同时，还将提供示例代码的下载链接，方便读者进行学习和实践。

二、异步方法调用设计模式的别名

• 异步过程调用

三、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能力。该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。

四、异步方法调用模式的详细解释及实际示例

1. 实际示例：
   • 异步方法调用使非阻塞操作成为可能，允许多个进程同时运行。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。
   • 在太空火箭的背景下，异步方法调用模式的类似示例可以在任务控制中心与火箭的机载系统之间的通信中看到。当任务控制中心向火箭发送调整轨道或执行系统检查的命令时，他们不会闲置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。这允许任务控制中心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。
2. 通俗解释：
   • 异步方法调用启动任务处理并在任务准备好之前立即返回。任务处理的结果稍后返回给调用者。
3. 维基百科解释：
   • 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，其中调用站点在等待被调用代码完成时不会被阻塞。相反，当回复到达时，会通知调用线程。轮询回复是一种不受欢迎的选择。

五、Java中异步方法调用模式的编程示例

考虑一个需要同时执行多个任务的场景。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。

在这个示例中，我们正在发射太空火箭并部署月球车。
该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，它是异步计算值的中间容器，AsyncCallback，它可以在任务完成时执行，以及AsyncExecutor，它管理异步任务的执行。

java">public interface AsyncResult<T> {boolean isCompleted();T getValue() throws ExecutionException;void await() throws InterruptedException;
}

java">public interface AsyncCallback<T> {void onComplete(T value);void onError(Exception ex);
}

java">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的一个实现。接下来突出显示了它的一些关键部分。

java">public class ThreadAsyncExecutor implements AsyncExecutor {@Overridepublic <T> AsyncResult<T> startProcess(Callable<T> task) {return startProcess(task, null);}@Overridepublic <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;}@Overridepublic <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。

java">  public static void main(String[] args) throws Exception {// 构建一个新的执行器，用于运行异步任务var executor = new ThreadAsyncExecutor();// 启动几个具有不同处理时间的异步任务，最后两个带有回调处理程序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"));// 在异步任务在自己的线程中运行时，模拟当前线程的处理Thread.sleep(350); // 哦，我们在这里努力工作log("Mission command is sipping coffee");// 等待任务完成final var result1 = executor.endProcess(asyncResult1);final var result2 = executor.endProcess(asyncResult2);final var result3 = executor.endProcess(asyncResult3);asyncResult4.await();asyncResult5.await();// 记录任务的结果，回调在完成时立即记录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

六、Java中何时使用异步方法调用模式

该模式适用于需要高效管理多个并行任务的应用程序。它通常用于处理后台进程、提高用户界面响应能力和管理异步数据处理等场景。

在以下情况下使用异步方法调用模式：

1. 当操作不需要在程序的下一步之前完成时。
2. 对于资源密集型或耗时的任务，例如IO操作、网络请求或复杂计算，使操作同步会严重影响性能或用户体验。
3. 在GUI应用程序中，以防止在长时间运行的任务期间出现冻结或无响应。
4. 在Web应用程序中，用于非阻塞IO操作。

七、Java中异步方法调用模式的实际应用

许多现代应用程序利用异步方法调用模式，包括异步处理HTTP请求以提高吞吐量和减少延迟的Web服务器、使用后台线程执行耗时操作而不阻塞用户界面的桌面和移动应用程序，以及通过消息队列或事件流进行异步通信的微服务架构。

1. Web服务器异步处理HTTP请求，以提高吞吐量并减少延迟。
2. 桌面和移动应用程序使用后台线程执行耗时操作，而不会阻塞用户界面。
3. 微服务架构中，服务通过消息队列或事件流进行异步通信。
4. FutureTask
5. CompletableFuture
6. ExecutorService
7. Task-based Asynchronous Pattern

八、异步方法调用模式的优点和权衡

虽然该模式提供了显著的性能优势，但它也在错误处理和资源管理方面引入了复杂性。正确的实现至关重要，以避免潜在的陷阱，如竞争条件和死锁。

1. 优点：
   • 提高响应能力：主线程或应用程序流程保持不阻塞，提高了GUI应用程序中的用户体验和整体响应能力。
   • 更好的资源利用：通过启用并行执行，系统资源（如CPU和IO）得到更有效的利用，潜在地提高了应用程序的吞吐量。
   • 可扩展性：更容易扩展应用程序，因为任务可以更有效地分布在可用资源上。
2. 权衡：
   • 复杂性：引入异步操作会使代码库复杂化，使其更难以理解、调试和维护。
   • 资源管理：需要仔细管理线程或执行上下文，这可能会引入开销和潜在的资源耗尽问题。
   • 错误处理：异步操作可能会使错误处理更加复杂，因为异常可能会在不同的线程或不同的时间发生。

九、源码下载

异步方法调用模式示例代码下载

通过本文的介绍，相信大家对Java中的异步方法调用模式有了更深入的了解。在实际开发中，合理运用该模式可以提高应用程序的性能和响应能力，但需要注意正确处理错误和管理资源，以避免潜在的问题。