Java中如何实现协程、同步与异步操作？

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前言：最近在研究程序设计，输出几篇文章来介绍一些协同程序。协同程序与异步有非常大的关联性，想先介绍一下异步。

异步是一种程序的运行方式。异步编程是一种编程范式，它允许程序在等待某些操作完成时继续执行其他任务。在异步编程中，程序不会阻塞，而是会释放控制权，等待某个事件或条件发生后再继续执行。这种方式可以显著提高程序的效率和响应性。

异步编程在多种编程语言和框架中都有实现，以下是一些常见的异步编程语言和框架：

1. JavaScript（Node.js）：Node.js 是一个基于 Chrome V8 引擎的 JavaScript 运行时环境，它允许在服务器端使用 JavaScript 进行异步编程。

2.Python：Python 的 `asyncio` 模块提供了异步编程的框架，允许使用 `async` 和 `await` 语法。

3.Java：Java 的 `CompletableFuture` 类提供了异步编程的支持，允许以声明式的方式编写异步代码。

4.C#：C# 的 `async` 和 `await` 语法使得异步编程变得简单易用。

在异步编程中，常见的概念包括：

- 回调（Callback）：回调函数在异步操作完成后执行。

- 事件（Event）：事件是异步编程中的一种机制，允许程序在事件发生时执行相应的代码。- Promise：Promise 是一个对象，它表示一个尚未完成但可能完成的操作，并且提供了异步操作成功或失败时的回调机制。

总结：异步编程是一种强大的编程范式，它使得程序在等待操作完成时能够继续执行其他任务。通过学习异步编程，可以编写出更高效、响应更快的程序。

前言最近在学习协程打算输出几篇文章来介绍一下协程。而协程与异步有很大的关联所以想先介绍一下异步。异步是一种程序的运行方式各种编程语

前言  

    最近在学习协程，打算输出几篇文章来介绍一下协程。而协程与异步有很大的关联，所以想先介绍一下异步。

异步是一种程序的运行方式，各种编程语言语言或多或少都对它有所支持。异步对于Java后端程序员来说并不是一种特别熟悉的概念，而安卓或者前端的同学可能会对异步这个概念会更熟悉一些。

程序同步和异步

同步是最简单也是最符合我们人类思维方式的编程方式，所谓同步，就是程序会按照代码一行行执行，执行完一句再执行下一句。

同步代码看起来是这样：

stepA();stepB();stepC();...

stepA执行完后，开始执行stepB，stepB执行完后，执行stepC。

而有时候我们会有这样的需求：在后台执行一段程序。具体到我们这个案例来说，就是执行完stepA后，要开始执行stepB，但不用等stepB执行完，现在可以立即执行stepC。

于是异步编程就出来了。在Java语言里，我们可以创建一个新的线程（或者使用线程池）去执行异步任务：

stepA();new Thread(() -> stepB()).start();stepC();

      这样，stepB就在另一个线程里面“异步”执行了，而stepC还是继续在当前线程里执行。

      异步有什么好处呢？

      有一个显而易见的好处：让程序“响应更快”。比如上述的case，如果stepB()任务比较耗时，比如发邮件操作。那使用同步的方式，程序需要等待卡在这里stepB完成才能往下走。而如果使用异步的方式，可以让stepB“后台”执行，不影响当前程序往下执行。

      这在UI程序中尤为重要，毕竟界面的响应时间对用户的体验很大。所以涉及到UI的语言、框架是最先研究和尝试异步技术的。比如RxJava起源于安卓，Kotlin、Dart、Javascript等语言也在UI程序中用得比较多。

      而同样的，对于IO密集型的程序，使用异步也能够明显提升性能，大家熟悉的nginx、redis、netty等，其底层都是利用的操作系统的系统调用（比如Linux的epoll）来实现异步，达到高性能的表现。

使用异步

在Java中使用异步一般是用多线程来实现的。

正如我们上文提到的，我们可以启动一个新的线程去“后台”执行一个异步任务。当然，我们也可以把它扔进线程池里。

// 新建线程执行异步任务new Thread(() -> stepB()).start();

但如果我们要使用异步的返回结果怎么办呢？比如常见的场景是请求另一个微服务的接口。

JDK 1.5提供了Callable和Future接口，用于实现“有返回值”的多线程任务。使用的时候一般是配合线程池使用：

public static void main(String[] args) throws Exception {ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();Future future = executor.submit(() -> {// 模拟IO需要一秒Thread.sleep(1000);return "hello";});System.out.println("submitted");// 这里会阻塞直到future.get返回值或者超时System.out.println(future.get(2, TimeUnit.SECONDS));executor.shutdown();}

     如果使用Future，我们在调用future.get()方法的时候，会阻塞直到异步任务返回结果或者抛异常或者超时。试想一下我们有这个需求：任务B1需要任务B的结果，任务C1需要任务C的结果，但它们彼此是独立的。如果使用Future我们得这样做：

stepA();Future futureB = executor.submit(() -> stepB());Future futureC = executor.submit(() -> stepC());stepB1(futureB.get());// 这一步必须等stepB1执行完stepC1(futureC.get());

所以使用future其实还是会在调用get方法的时候阻塞主流程。那有没有什么办法不阻塞呢？解决办法是使用回调。

回调与回调地狱

所谓回调，在函数式编程语言中的说法就是，我传一个函数进去，等异步任务完成后，就执行这个函数。Java虽然不是函数式编程语言，但Java8也支持函数式编程。

假设我们的需求仅仅是把一个异步任务产生的结果字符串打印出来，我们可以这样写：

public static void main(String[] args) throws Exception {Consumer callback = System.out::println;new Thread(() -> {// 模拟api调用，省略try-catchThread.sleep(1000);// 假设这是调用第三方api返回的字符串String s = "hello";callback.accept(s);}).start();System.out.println("started");}

甚至可以不用callback函数，直接在把程序代码段放到异步任务里面：

public static void main(String[] args) throws Exception {new Thread(() -> {// 模拟api调用，省略try-catchThread.sleep(1000);// 假设这是调用第三方api返回的字符串String s = "hello";print(s);}).start();System.out.println("started");}private static void print(String str) {System.out.println(str);}

那如果异步任务需要的回调太多呢？比如我们需要先异步请求接口A，拿到结果后再去异步请求接口B，拿到结果后再去异步请求接口C：

public static void main(String[] args) throws Exception {new Thread(() -> {String resultA = callAPI("input", "a");new Thread(() -> {String resultB = callAPI(resultA, "b");new Thread(() -> {String resultC = callAPI(resultB, "c");System.out.println(resultC);}).start();}).start();}).start();System.out.println("started");}private static String callAPI(String param, String mockRes) {// 模拟api调用，省略try-catchThread.sleep(1000);return mockRes;}

有没有感觉这层层嵌套的代码比较难看？这就是臭名昭著的“回调地狱”。

Java 8提供了一个叫CompletableFuture类来支持一些异步功能，包括回调。它支持「链式调用」，可以在一定程度上解决“回调地狱”的问题。上述代码可以用CompletableFuture这样写:

public static void main(String[] args) throws Exception {CompletableFuture.supplyAsync(() -> callAPI("input", "a")).thenApply(res -> callAPI(res, "b")).thenApply(res -> callAPI(res, "c")).thenAccept(System.out::println);System.out.println("started");// 等异步任务输出Thread.sleep(20000);}

响应式编程

响应式编程是另一种异步解决方案。它的主要应用场景是异步处理数据集合。对标的是同步的Iterable。这里有一个对比图：

      比较典型的场景是UI产生的事件流（比如点击事件等）。

      响应式编程的核心是“观察者模式”。客户端发送请求和，能够立即得到一个Stream返回，客户端订阅这个Stream来接收通知。等服务端有数据时，就会往Stream上发布数据，客户端就能够收到数据了。

      Spring 5也支持响应式编程，并认为它将是未来web编程的一大趋势。响应流 API java.util.concurrent.flow 已正式成为 Java 9 的一部分。但目前发展还比较缓慢，大家对这个东西的接受度一般，可能是因为切换成本比较高，且目前webmvc能够满足大多数需求吧。

协程

看了一圈资料，很多文章在讨论协程是什么。我初步总结下来协程主要有两个作用：

• 可以用同步的方式写异步代码
• 可以在适当的时候挂起当前程序片段，在适当的时候恢复，这是代码可以控制的

协程由程序控制，在同一个线程内部工作，在IO成为瓶颈的绝大多数应用场景下，可以代替当前主流的多线程模型，省去线程切换的开销，提升吞吐量。