Java设计模式：Async Method Invocation

本文主要介绍 Async Method Invocation 模式，在 Java Design Patterns 网站上有对该模式进行介绍。这里主要是做个笔记，并添加一些扩展，以加深对该设计模式的理解。

介绍

Async Method Invocation（异步方法调用）是一种编程模式，用于处理异步操作和并发执行。它允许在执行某个操作时不阻塞主线程，而是将操作委托给另一个线程或处理程序，并在操作完成后获取结果或执行回调。

异步方法调用的主要目的是提高应用程序的性能和响应能力。通过将耗时的操作（如网络请求、文件读写、数据库查询等）置于后台线程或异步任务中，可以使主线程能够继续执行其他任务，而不会被阻塞。

异步方法调用可以在不同的编程语言和框架中以不同的方式实现，包括以下几种常见的形式：

回调函数（Callback）：通过定义回调函数，将异步操作的结果传递给调用方。当异步操作完成时，回调函数会被调用并处理结果。
Future/Promise（Future/Deferred）：通过Future或Promise对象表示异步操作的结果，调用方可以在需要时获取结果或添加回调函数来处理结果。
异步/await：异步/await是一种语法糖，用于简化异步代码的编写和理解。它允许以同步的方式编写异步操作，使代码更具可读性。
观察者模式（Observer）：通过定义观察者对象，异步操作的结果可以被观察者订阅。当结果可用时，观察者会被通知并执行相应的操作。

使用异步方法调用可以提高应用程序的并发性能和用户体验。它可以在后台执行耗时的操作，使主线程保持响应，并允许应用程序同时处理多个并发请求。然而，对于并发操作的正确处理和管理资源的安全性仍然需要仔细考虑和实施。

举例

AsyncResult（用于异步评估值的中间容器），AsyncCallback（可以在任务完成时被执行）和AsyncExecutor（用于管理异步任务的执行）。

public interface AsyncResult<T> {
  boolean isCompleted();
  T getValue() throws ExecutionException;
  void await() throws InterruptedException;
}
public interface AsyncCallback<T> {
  void onComplete(T value, Optional<Exception> ex);
}
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的实现。接下来将突出显示其一些关键部分。

public class ThreadAsyncExecutor implements AsyncExecutor {

  @Override
  public <T> AsyncResult<T> startProcess(Callable<T> task) {
    return startProcess(task, null);
  }

  @Override
  public <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;
  }

  @Override
  public <T> T endProcess(AsyncResult<T> asyncResult)
      throws ExecutionException, InterruptedException {
    if (!asyncResult.isCompleted()) {
      asyncResult.await();
    }
    return asyncResult.getValue();
  }
}

然后，看看一切是如何协同工作的。

public static void main(String[] args) throws Exception {
  // 构造一个将执行异步任务的新执行程序
  var executor = new ThreadAsyncExecutor();

  // 以不同的处理时间开始一些异步任务，最后两个使用回调处理程序
  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"));

  // 在当前线程中模拟异步任务正在它们自己的线程中执行
  Thread.sleep(350); // 哦，兄弟，我们在这很辛苦
  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();

  // log the results of the tasks, callbacks log immediately when complete
  // 记录任务结果的日志， 回调的日志会在回调完成时立刻记录
  log("Space rocket <" + result1 + "> launch complete");
  log("Space rocket <" + result2 + "> launch complete");
  log("Space rocket <" + result3 + "> launch complete");
}

这是程序控制台的输出。

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

类图

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注意事项

线程安全性和管理异步任务

在使用异步方法调用模式时，确保线程安全性和管理异步任务是非常重要的。以下是一些常用的方法和技术：

线程安全性：
- 使用线程安全的数据结构：在异步方法调用中，多个线程可能同时访问和修改共享的数据。为了确保线程安全，可以使用线程安全的数据结构，如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等，来管理共享数据。
- 使用同步机制：使用同步机制，如synchronized关键字或Lock接口，来保护共享资源的访问，以避免并发访问导致的数据竞争和不一致性。
- 避免共享状态：尽可能避免在异步任务之间共享状态，而是通过参数传递和返回值来进行数据交换。这可以减少对共享资源的并发访问，从而简化线程安全性的管理。
异步任务管理：
- 使用线程池：使用线程池可以有效地管理和调度异步任务的执行。线程池可以控制并发线程的数量，重用线程，避免线程创建和销毁的开销，并提供任务队列来缓冲待执行的任务。
- 使用Future和Promise：Future和Promise是用于管理异步任务的常用概念。Future表示一个异步任务的结果，可以通过它来获取任务的返回值或等待任务完成。Promise是Future的扩展，它允许设置异步任务的结果。通过使用Future和Promise，可以更方便地管理异步任务的状态和结果。
- 使用回调函数：回调函数是异步方法调用中常用的一种方式，用于在任务完成时执行相应的操作。通过定义回调函数，可以将任务的处理逻辑与任务执行的异步性解耦，从而更灵活地处理异步任务的结果。

同时，请注意以下几点：

在设计和实现异步方法调用时，需要仔细考虑线程安全性和并发访问的问题，并进行适当的测试和验证。
根据具体的应用场景和需求，选择适合的线程安全机制和异步任务管理策略。
在多线程环境下使用异步方法调用时，要注意可能出现的线程安全性问题，如数据竞争、死锁和活锁等，并采取相应的预防和解决措施。

综上所述，线程安全性和异步任务管理是确保异步方法调用模式正确运行的关键因素，需要仔细设计和实施相应的策略和机制。

异常处理

在异步任务管理中，处理任务执行过程中可能出现的异常是很重要的。以下是一些常用的方法和技术：

异常处理机制：
- 使用try-catch块：在异步任务的执行代码块内，使用try-catch块捕获可能抛出的异常，并在catch块中进行相应的异常处理。可以根据具体需求选择恰当的异常处理策略，如记录日志、发送通知、回滚操作等。
- 使用异常回调函数：定义一个异常回调函数，用于在任务执行过程中捕获异常并进行相应的处理。回调函数可以接收异常对象作为参数，并在任务执行完成时被调用。这样可以将异常处理逻辑与任务执行逻辑解耦，提高代码的可维护性和灵活性。
异常传递和封装：
- 使用Future和Promise：在异步任务中，可以使用Future和Promise来传递任务的执行结果和异常。当任务执行过程中发生异常时，可以将异常信息设置到Promise对象中，并通过Future获取异常信息进行处理。
- 封装异常信息：在异常发生时，可以将异常信息封装到自定义的异常类中，并通过抛出该异常来表示任务执行过程中的异常情况。调用方可以通过捕获并处理相应的异常来处理任务的执行结果和异常情况。
错误处理策略：
- 重试机制：当任务执行过程中发生异常时，可以根据一定的策略进行重试。可以设置最大重试次数和重试间隔时间，以便在一定程度上解决临时性的异常情况。
- 回退策略：当任务执行过程中发生异常时，可以使用回退策略来处理。回退策略可以选择执行备选方案或使用默认值，以确保任务的正常执行。

请注意以下几点：

在异步任务管理中，及时捕获和处理异常是非常重要的，以防止异常的传播和影响其他任务或系统的正常运行。
根据具体的应用场景和需求，选择适合的异常处理机制和错误处理策略。
在处理异常时，需要根据异常类型和情况进行适当的处理，以确保任务的正确执行和系统的稳定性。

总结而言，在异步任务管理中，合理处理任务执行过程中的异常是保证系统稳定性和可靠性的关键因素之一。通过适当的异常处理机制、异常传递和封装，以及错误处理策略，可以有效地处理任务执行中可能出现的异常情况。

适用性

异步方法调用模式适用于以下情况:

当您有多个可以并行运行的独立任务时：该模式允许您以并行的方式处理多个任务，而无需等待单个任务完成。这对于并行处理独立任务的情况非常有用，以提高整体的执行效率。
当您需要提高一组顺序任务的性能时：如果存在一组任务按照特定顺序执行，但其中某些任务可能是耗时的，您可以使用异步方法调用模式来并行处理这些任务。这样，在等待某个任务完成时，其他任务可以继续执行，从而提高整体性能。
当您的处理能力或长时间运行的任务数量有限，并且调用方不应等待任务执行完毕时：如果您的系统资源有限，无法同时处理大量的长时间运行任务，而且调用方不希望被阻塞等待任务完成，那么异步方法调用模式可以很好地满足这种需求。它允许调用方立即返回，并在任务完成后通过回调或等待来获取任务结果。

异步方法调用模式可以提高应用程序的性能、资源利用率和响应能力。通过并行处理任务和减少等待时间，可以更好地利用系统资源，提高整体效率。然而，使用该模式可能会增加代码复杂性，需要考虑线程安全性和异步任务的管理等问题。

请注意，适用性取决于具体的应用场景和需求。在决定是否使用异步方法调用模式时，需要综合考虑系统的要求、资源限制以及代码复杂性等因素。

介绍#

举例#

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注意事项#

线程安全性和管理异步任务#

异常处理#

适用性#

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注意事项

线程安全性和管理异步任务

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