消息队列面试解析系列(六)- 异步编程妙用
0 异步的优势
太多的线程会造成频繁的cpu上下文切换,你可以想象一下,假设你的小公司只有8台电脑,你雇8个程序员一直不停的工作显然是效率最高的。考虑到程序员要休息不可能连轴转,雇佣24个人,每天三班倒,效率也还行。
但是,你要雇佣10000个人,他们还是只能用这8台电脑,大部分时间不都浪费在换人、交接工作上啦。
异步编程是通过分工的方式,是为了减少了cpu因线程等待的可能,让CPU一直处于工作状态。换句话说,如果我们能想办法减少CPU空闲时间,我们的计算机就可以支持更多的线程。
其实线程是一个抽象概念,我们从物理层面理解,就是单位时间内把每毫核分配处理不同的任务,从而提高单位时间内CPU的利用率。
线程就是为了能自动分配CPU时间片而生的。
异步实现里面还是要用线程池限制一下线程数吧,否则没有达到减少线程的效果。
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,显著降低时延。
因此,像MQ这种需要超高吞吐量和超低时延的中间件系统,在其核心流程中,会大量采用异步设计。
1 案例引入
一个转账的微服务Transfer( accountFrom, accountTo, amount),该服务有三参数
- 转出账户
- 转入账户
- 转账金额
要从账户A中转账100到账户B:
- 先从A的账户中减去100元
- 再给B的账户加上100元,转账完成。
- 对应时序图:
调用另外一个微服务Add(account, amount),给账户account增加金额amount,当amount为负值时,就是扣减相应金额。
为简化,省略了错误处理和事务相关代码
2 同步的性能瓶颈
同步实现,对应的伪代码:
Transfer(accountFrom, accountTo, amount) {// 先从accountFrom的账户中减去相应的钱数Add(accountFrom, -1 * amount)// 再把减去的钱数加到accountTo的账户中Add(accountTo, amount)return OK
}
先从accountFrom的账户中减去相应的钱数,再把减去的钱数加到accountTo的账户中,同步实现简单直接。
性能如何?
假设微服务Add的平均响应时延是50ms,微服务Transfer的平均响应时延大约等于执行2次Add的时延,即100ms。随调用Transfer服务的请求越来越多,会出现什么情况呢?
该实现,每处理一个请求耗时100ms,这100ms过程要独占个线程。
可得:每个线程每秒最多可处理10个请求。假设服务器同时打开的线程数量上限10,000,可以计算出这台服务器每秒钟可以处理的请求上限是: 10,000 (个线程)* 10(次请求每秒) = 100,000 次每秒。
若请求速度超过这个值,那么请求就不能被马上处理,只能阻塞或者排队,这时候Transfer服务的响应时延由100ms延长到了:排队的等待时延 + 处理时延(100ms)。即大量请求时,我们的微服务的平均响应时延变长了。
这是不是已达服务器极限?远没有!
若监测服务器指标,会发现无论是CPU、内存,还是网卡流量或者是磁盘的IO都空闲的很,那我们Transfer服务中的那10,000个线程在作甚?
没错!绝大部分线程都在等待Add服务返回结果。
即采用同步,整个服务器的所有线程大部分时间都没在工作,而在等待!
若能减少或避免这种无意义等待,即可大幅提升服务吞吐能力,提升性能。
异步实现方案
异步实现同样的业务。
TransferAsync(accountFrom, accountTo, amount, OnComplete()) {// 异步从accountFrom的账户中减去相应的钱数,然后调用OnDebit方法。AddAsync(accountFrom, -1 * amount, OnDebit(accountTo, amount, OnAllDone(OnComplete())))
}
// 扣减账户accountFrom完成后调用
OnDebit(accountTo, amount, OnAllDone(OnComplete())) {// 再异步把减去的钱数加到accountTo的账户中,然后执行OnAllDone方法AddAsync(accountTo, amount, OnAllDone(OnComplete()))
}
// 转入账户accountTo完成后调用
OnAllDone(OnComplete()) {OnComplete()
}
TransferAsync服务比Transfer多个参数,且该参数传入的是一个回调方法OnComplete()(虽然Java并不支持将方法作为方法参数传递,但像JavaScript等很多语言都具有这样特性,Java可传个回调类的实例来变相实现)。
- TransferAsync()方法语义
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即可立即返回,待转账结束,TransferService自然会调用OnComplete()方法来执行转账后续工作。
异步实现相对同步稍复杂。先定义俩回调方法:
- OnDebit():扣减账户accountFrom完成后调用的回调方法
- OnAllDone():转入账户accountTo完成后调用的回调方法。
异步实现语义相当于:
- 异步从accountFrom的账户中减去相应钱数,然后调用OnDebit
- 在OnDebit方法中,异步把减去的钱数加到accountTo的账户中,然后执行OnAllDone
- 在OnAllDone中调用OnComplete
- 时序图
异步后,整个流程时序和同步完全一样,只是线程模型由同步调用改为异步和回调。
异步实现的性能
由于流程时序和同步一样,在少量请求场景下,平均响应时延一样100ms。在高请求数量场景下,异步不再需线程等待执行结果,只需个位数量的线程,即可实现同步场景大量线程一样的吞吐量。
由于没线程的数量的限制,总体吞吐量上限会大大超过同步实现,且在服务器CPU、网络带宽资源达到极限前,响应时延不会随请求数量增加而显著升高,几乎可一直保持约100ms的平均响应时延。
异步框架: CompletableFuture
开发时可使用异步框架和响应式框架,解决一些异步编程问题。
Java中比较常用的异步框架有Java8内置的CompletableFuture和ReactiveX的RxJava。
- CompletableFuture简单实用易理解
- RxJava功能更强大
Java 8中新增的异步编程类:CompletableFuture,几乎囊获了开发异步程序的大部分功能,使用CompletableFuture很容易编写优雅且易维护的异步代码。
接下来用CompletableFuture实现的转账服务。
CompletableFuture定义2个微服务的接口:
/*** 账户服务*/
public interface AccountService {/*** 变更账户金额* @param account 账户ID* @param amount 增加的金额,负值为减少*/CompletableFuture<Void> add(int account, int amount);
}
/*** 转账服务*/
public interface TransferService {/*** 异步转账服务* @param fromAccount 转出账户* @param toAccount 转入账户* @param amount 转账金额,单位分*/CompletableFuture<Void> transfer(int fromAccount, int toAccount, int amount);
}
接口中定义的方法的返回类型都是泛型CompletableFeture,泛型类型就是真正方法需要返回数据的类型,这俩服务无需返回数据,所以用Void。
实现转账服务:
/*** 转账服务的实现*/
public class TransferServiceImpl implements TransferService {@Injectprivate AccountService accountService; // 使用依赖注入获取账户服务的实例@Overridepublic CompletableFuture<Void> transfer(int fromAccount, int toAccount, int amount) {// 异步调用add方法从fromAccount扣减相应金额return accountService.add(fromAccount, -1 * amount)// 然后调用add方法给toAccount增加相应金额.thenCompose(v -> accountService.add(toAccount, amount)); }
}
先定义一个AccountService实例,这个实例从外部注入进来,至于怎么注入不是我们关心的问题,就假设这个实例是可用的就好了。
看transfer()方法,先调用一次账户服务accountService.add()方法从fromAccount扣减相应金额,因add()方法返回的就是个CompletableFeture对象,可用CompletableFeture的thenCompose()方法将下一次调用accountService.add()串联起来,实现异步依次调用两次账户服务完整转账。
客户端使用CompletableFuture也灵活,既可同步调用,也可异步。
public class Client {@Injectprivate TransferService transferService; // 使用依赖注入获取转账服务的实例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!"));}
}
调用异步方法获得返回值CompletableFuture对象后
- 既可调CompletableFuture#get,像调用同步方法样等待调用的方法执行结束并获得返回值
- 亦可如异步回调,调用CompletableFuture那些then开头方法,为CompletableFuture定义异步方法结束之后的后续操作
比如上例,调用thenRun()方法,参数就是将转账完成打印在控台上这个操作,这样就可以实现在转账完成后,在控制台打印“转账完成!”了。
总结
异步的思想就是,当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。”
使用异步编程模型,虽并不能加快程序本身速度,但可减少或者避免线程等待,只用很少的线程即可得到超高吞吐。
同时我们也需注意异步模型问题:相比同步,异步实现的复杂度大很多,代码可读性和可维护性都显著下降。
虽然使用一些异步编程框架会在一定程度上简化异步开发,但是并不能解决异步模型高复杂度的问题。
异步性能虽好,勿滥用,只有类似MQ这种业务逻辑简单且需超高吞吐量场景,或须长时等待资源,才考虑使用异步模型。
如果系统的业务逻辑比较复杂,在性能足够满足业务需求的情况下,采用符合人类自然的思路且易于开发和维护的同步模型是更加明智的选择。
面试场景题快问快答
实现转账服务时,未考虑处理失败情况。异步实现中,若调用账户服务失败,如何将错误报告给客户端?在两次调用账户服务的Add方法时,如果某一次调用失败了,该如何处理才能保证账户数据是平的?
- 调用账户失败,可以在异步callBack里执行通知客户端的逻辑
- 若是第一次失败,后面那步就不用执行了,所以转账失败;如果是第一次成功但是第二次失败,首先考虑重试,如果转账服务是幂等的,可以考虑一定次数的重试,如果不能重试,可以考虑采用补偿机制,undo第一次的转账操作。
在异步实现中,回调方法OnComplete()是在什么线程中运行的?我们是否能控制回调方法的执行线程数
CompletableFuture默认是在ForkjoinPool commonpool里执行的,也可以指定一个Executor线程池执行,借鉴guava的ListenableFuture的时间,回调可以指定线程池执行,这样就能控制这个线程池的线程数目了。
在异步实现中,回调方法 OnComplete()在执行OnAllDone()回调方法的那个线程,可通过一个异步线程池控制回调方法的线程数,如Spring中的async就是通过结合线程池来实现异步。
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2022/11/19 21:17:18 - 错误使用 reshape要执行 RESHAPE,请勿更改元素数目。
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2022/11/19 21:17:16 - 配置 已完成 请勿关闭计算机,win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机...
win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机”问题的解决方法在win7系统关机时如果有升级系统的或者其他需要会直接进入一个 等待界面,在等待界面中我们需要等待操作结束才能关机,虽然这比较麻烦,但是对系统进行配置和升级…...
2022/11/19 21:17:15 - 台式电脑显示配置100%请勿关闭计算机,“准备配置windows 请勿关闭计算机”的解决方法...
有不少用户在重装Win7系统或更新系统后会遇到“准备配置windows,请勿关闭计算机”的提示,要过很久才能进入系统,有的用户甚至几个小时也无法进入,下面就教大家这个问题的解决方法。第一种方法:我们首先在左下角的“开始…...
2022/11/19 21:17:14 - win7 正在配置 请勿关闭计算机,怎么办Win7开机显示正在配置Windows Update请勿关机...
置信有很多用户都跟小编一样遇到过这样的问题,电脑时发现开机屏幕显现“正在配置Windows Update,请勿关机”(如下图所示),而且还需求等大约5分钟才干进入系统。这是怎样回事呢?一切都是正常操作的,为什么开时机呈现“正…...
2022/11/19 21:17:13 - 准备配置windows 请勿关闭计算机 蓝屏,Win7开机总是出现提示“配置Windows请勿关机”...
Win7系统开机启动时总是出现“配置Windows请勿关机”的提示,没过几秒后电脑自动重启,每次开机都这样无法进入系统,此时碰到这种现象的用户就可以使用以下5种方法解决问题。方法一:开机按下F8,在出现的Windows高级启动选…...
2022/11/19 21:17:12 - 准备windows请勿关闭计算机要多久,windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机怎么办...
有不少windows10系统用户反映说碰到这样一个情况,就是电脑提示正在准备windows请勿关闭计算机,碰到这样的问题该怎么解决呢,现在小编就给大家分享一下windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机的具体第一种方法:1、2、依次…...
2022/11/19 21:17:11 - 配置 已完成 请勿关闭计算机,win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机”的解决方法...
今天和大家分享一下win7系统重装了Win7旗舰版系统后,每次关机的时候桌面上都会显示一个“配置Windows Update的界面,提示请勿关闭计算机”,每次停留好几分钟才能正常关机,导致什么情况引起的呢?出现配置Windows Update…...
2022/11/19 21:17:10 - 电脑桌面一直是清理请关闭计算机,windows7一直卡在清理 请勿关闭计算机-win7清理请勿关机,win7配置更新35%不动...
只能是等着,别无他法。说是卡着如果你看硬盘灯应该在读写。如果从 Win 10 无法正常回滚,只能是考虑备份数据后重装系统了。解决来方案一:管理员运行cmd:net stop WuAuServcd %windir%ren SoftwareDistribution SDoldnet start WuA…...
2022/11/19 21:17:09 - 计算机配置更新不起,电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办?
原标题:电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办?win7系统中在开机与关闭的时候总是显示“配置windows update请勿关闭计算机”相信有不少朋友都曾遇到过一次两次还能忍但经常遇到就叫人感到心烦了遇到这种问题怎么办呢?一般的方…...
2022/11/19 21:17:08 - 计算机正在配置无法关机,关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 ,然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机...
关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 ,然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容,让我们赶快一起来看一下吧!关机提示 windows7 正在配…...
2022/11/19 21:17:05 - 钉钉提示请勿通过开发者调试模式_钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用...
钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用 更新时间:2020-04-20 22:24:19 浏览次数:729次 区域: 南阳 > 卧龙 列举网提醒您:为保障您的权益,请不要提前支付任何费用! 虚拟位置外设器!!轨迹模拟&虚拟位置外设神器 专业用于:钉钉,外勤365,红圈通,企业微信和…...
2022/11/19 21:17:05 - 配置失败还原请勿关闭计算机怎么办,win7系统出现“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”,长时间没反应,无法进入系统的解决方案...
前几天班里有位学生电脑(windows 7系统)出问题了,具体表现是开机时一直停留在“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”这个界面,长时间没反应,无法进入系统。这个问题原来帮其他同学也解决过,网上搜了不少资料&#x…...
2022/11/19 21:17:04 - 一个电脑无法关闭计算机你应该怎么办,电脑显示“清理请勿关闭计算机”怎么办?...
本文为你提供了3个有效解决电脑显示“清理请勿关闭计算机”问题的方法,并在最后教给你1种保护系统安全的好方法,一起来看看!电脑出现“清理请勿关闭计算机”在Windows 7(SP1)和Windows Server 2008 R2 SP1中,添加了1个新功能在“磁…...
2022/11/19 21:17:03 - 请勿关闭计算机还原更改要多久,电脑显示:配置windows更新失败,正在还原更改,请勿关闭计算机怎么办...
许多用户在长期不使用电脑的时候,开启电脑发现电脑显示:配置windows更新失败,正在还原更改,请勿关闭计算机。。.这要怎么办呢?下面小编就带着大家一起看看吧!如果能够正常进入系统,建议您暂时移…...
2022/11/19 21:17:02 - 还原更改请勿关闭计算机 要多久,配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机,电脑开机后一直显示以...
配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机,电脑开机后一直显示以以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容,让我们赶快一起来看一下吧!配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机&#x…...
2022/11/19 21:17:01 - 电脑配置中请勿关闭计算机怎么办,准备配置windows请勿关闭计算机一直显示怎么办【图解】...
不知道大家有没有遇到过这样的一个问题,就是我们的win7系统在关机的时候,总是喜欢显示“准备配置windows,请勿关机”这样的一个页面,没有什么大碍,但是如果一直等着的话就要两个小时甚至更久都关不了机,非常…...
2022/11/19 21:17:00 - 正在准备配置请勿关闭计算机,正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了解决教程...
当电脑出现正在准备配置windows请勿关闭计算机时,一般是您正对windows进行升级,但是这个要是长时间没有反应,我们不能再傻等下去了。可能是电脑出了别的问题了,来看看教程的说法。正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了方法一…...
2022/11/19 21:16:59 - 配置失败还原请勿关闭计算机,配置Windows Update失败,还原更改请勿关闭计算机...
我们使用电脑的过程中有时会遇到这种情况,当我们打开电脑之后,发现一直停留在一个界面:“配置Windows Update失败,还原更改请勿关闭计算机”,等了许久还是无法进入系统。如果我们遇到此类问题应该如何解决呢࿰…...
2022/11/19 21:16:58 - 如何在iPhone上关闭“请勿打扰”
Apple’s “Do Not Disturb While Driving” is a potentially lifesaving iPhone feature, but it doesn’t always turn on automatically at the appropriate time. For example, you might be a passenger in a moving car, but your iPhone may think you’re the one dri…...
2022/11/19 21:16:57