Java非同步編程最佳實踐

隨著互聯網的普及，應用程序變得越來越複雜，需要處理更多的並發請求，以提供更好的用戶體驗和更高的吞吐量。Java非同步編程技術可以幫助解決並發請求的問題，提高應用程序的性能和響應速度。在本文中，我們將從多個方面探討Java非同步編程的最佳實踐。

一、非同步編程介紹

非同步編程是指在程序運行時通過非同步方式執行耗時操作，以提高程序的性能和響應速度。Java非同步編程通常採用回調、Future、CompletableFuture等方式實現非同步操作。

二、回調機制

回調機制是一種常見的非同步編程方式，在使用回調機制時，我們的代碼不需要阻塞，可以繼續執行其他操作。當非同步操作完成後，會調用一個回調函數來處理結果。

public interface Callback{
    void onSuccess(T result);
    void onFailure(Throwable cause);
}
public interface UserService{
    void getUser(int id, Callback callback);
}
public class UserController{
    private UserService userService;

    public void getUser(int id){
        userService.getUser(id, new Callback(){
            @Override
            public void onSuccess(User user){
                //處理用戶信息
            }

            @Override
            public void onFailure(Throwable cause){
                //處理異常
            }
        });
    }
}

在上面的代碼中，我們定義了一個Callback介面，實現了onSuccess、onFailure兩個方法。通過UserService介面的getUser方法，我們將一個Callback對象傳給非同步方法。當非同步方法執行完畢後，通過onSuccess或onFailure方法來回調處理結果或異常。

三、Future機制

Future是Java5引入的一種非同步編程方式，它提供了一種在非同步操作完成後處理結果的方式。我們可以通過非同步方法返回一個Future對象，在將來某個時間再通過Future獲取非同步操作的結果。

public interface UserService{
    Future getUser(int id);
}
public class UserController{
    private UserService userService;

    public void getUser(int id) throws ExecutionException, InterruptedException{
        Future future = userService.getUser(id);
        User user = future.get();
        //處理用戶信息
    }
}

在上面的代碼中，我們通過UserService介面的getUser方法返回了一個Future對象。在用戶請求查詢操作的時候，我們可以阻塞等待Future對象的結果返回。當非同步操作完成後，我們可以通過Future的get方法來獲取非同步操作的結果。

四、CompletableFuture機制

CompletableFuture是Java8引入的一種非同步編程方式，它可以使我們構建更加複雜的非同步操作流程變得更簡單。CompletableFuture可以將多個非同步操作串聯起來，並且可以很容易地實現順序執行、並行執行和異常處理等功能。

public class UserController{
    private UserService userService;

    public void getUser(int id){
        CompletableFuture future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> userService.getUser(id))
            .thenApply(user -> {
                //非同步操作1
                return user;
            })
            .thenApplyAsync(user -> {
                //非同步操作2
                return user;
            })
            .exceptionally(ex -> {
                //異常處理
                return null;
            })
            .thenAccept(user -> {
                //處理結果
            });
    }
}

在上面的代碼中，我們使用CompletableFuture實現了非同步操作流程。首先使用遠程服務獲取用戶信息，然後通過thenApply方法進行非同步操作1，再使用thenApplyAsync方法進行非同步操作2，最後將異常處理放在exceptionally方法中。當所有非同步操作都完成後，我們通過thenAccept非同步處理返回結果。

五、線程池的使用

非同步編程中需要大量使用線程池來處理任務，因為Java線程創建、上下文切換的成本很高，線程池可以有效地重用線程資源，並控制線程的並發數，避免過多的競爭和資源浪費。

public class UserController{
    private UserService userService;
    private ExecutorService executorService;

    public void getUser(int id){
        CompletableFuture future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> userService.getUser(id), executorService)
            .thenApply(user -> {
                //非同步操作1
                return user;
            })
            .thenApplyAsync(user -> {
                //非同步操作2
                return user;
            }, executorService)
            .exceptionally(ex -> {
                //異常處理
                return null;
            })
            .thenAccept(user -> {
                //處理結果
            });
    }
}

在上面的代碼中，我們使用了ExecutorService線程池來控制非同步操作的並發數。在CompletableFuture的非同步操作中，我們通過特定的ExecutorService參數來指定非同步操作使用的線程池。

六、使用CompletableFuture提高吞吐量

CompletableFuture可以幫助我們提高應用的吞吐量和響應速度，以下是在並發請求高峰期使用CompletableFuture提高吞吐量的示例代碼：

public class UserController{
    private UserService userService;

    public List getUsers(List ids) throws ExecutionException, InterruptedException{
        List<CompletableFuture> futures = new ArrayList();
        for(int id : ids){
            CompletableFuture future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> userService.getUser(id));
            futures.add(future);
        }
        CompletableFuture allFutures = CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[futures.size()]));
        allFutures.join();
        return futures.stream().map(CompletableFuture::join).collect(toList());
    }
}

在上面的代碼中，我們使用CompletableFuture提高非同步操作的並發能力。首先我們遍歷傳入的id列表，使用CompletableFuture提供的非同步操作將用戶信息查詢操作封裝成一個CompletableFuture對象，然後將所有的CompletableFuture對象丟到一個List中。

我們再使用CompletableFuture的allOf方法將所有的CompletableFuture對象都進行串聯處理，等待所有非同步操作的完成。

待所有非同步操作完成後，我們再統一從CompletableFuture非同步處理中獲取每一個用戶信息查詢的結果，並返回所有用戶信息的列表。

七、使用CompletableFuture進行錯誤處理

錯誤處理是非同步編程中必須要掌握的技巧之一，下面是在CompletableFuture非同步操作流中加入錯誤處理的示例代碼：

public class UserController{
    private UserService userService;

    public CompletableFuture<List> getUsers(List ids){
        List<CompletableFuture> futures = new ArrayList();
        for(int id : ids){
            CompletableFuture future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> userService.getUser(id));
            futures.add(future);
        }
        CompletableFuture allFutures = CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[futures.size()]));
        CompletableFuture<List> resultFuture = allFutures.thenApplyAsync(ignored -> futures.stream()
                .map(future -> {
                    try {
                        return future.join();
                    } catch (Exception e) {
                        throw new RuntimeException(e.getMessage());
                    }
                })
                .collect(toList()));
        return resultFuture.exceptionally(ex -> {
            //異常處理
            return null;
        });
    }
}

在上面的代碼中，我們使用CompletableFuture的exceptionally方法來處理任何可能出現的異常。在非同步操作完成後，我們使用thenApplyAsync方法進行錯誤處理，並返回非同步結果，以供上層進行進一步處理。