异步编程的魔力：如何显著提升系统性能
今天我们来聊聊一个对开发者非常重要的话题——异步编程。异步编程是提升系统性能的一种强大手段，尤其在需要高吞吐量和低时延的场景中，异步设计能够显著减少线程等待时间，从而提升整体性能。
异步设计如何提升系统性能？
我们通过一个简单的例子来理解异步设计是如何提升系统性能的。假设我们要实现一个转账的微服务 Transfer(accountFrom, accountTo, amount)，它有三个参数：转出账户、转入账户和转账金额。实现过程如下：
从账户 A 中减去 100 元。
给账户 B 加上 100 元，转账完成。
对应的时序图如下：
在这个例子中，假设我们调用了另一个微服务 Add(account, amount)，它的功能是给账户增加金额，负值表示扣减金额。为了简化问题，我们忽略了错误处理和事务管理。
1. 同步实现的性能瓶颈
首先，我们来看同步实现的伪代码：
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;}
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假设 Add 服务的平均响应时延是 50ms，那么 Transfer 服务的平均响应时延大约是 100ms。随着请求量增加，会出现什么情况呢？
在这种实现中，每处理一个请求需要耗时 100ms，并且在这 100ms 过程中需要独占一个线程。假设服务器线程数量上限是 10,000，那么每秒最多处理 100,000 次请求。如果请求速度超过这个值，请求就会阻塞，导致响应时延增加。
尽管服务器的 CPU、内存、网卡流量和磁盘 IO 都很空闲，但大部分线程都在等待 Add 服务返回结果。这种情况下，采用同步实现的方式，服务器资源被浪费在无意义的等待上。
2. 采用异步实现解决等待问题
接下来，我们用异步的思想来解决这个问题，实现同样的业务逻辑：
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();}
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异步实现的时序图如下：
异步化实现后，整个流程的时序和同步实现完全一样，但线程模型改为了异步调用和回调机制。在高请求数量场景下，异步实现不再需要线程等待执行结果，只需少量线程即可实现高吞吐量。
简单实用的异步框架：CompletableFuture
在实际开发中，异步框架如 Java 8 内置的 CompletableFuture 可以简化异步编程。下面是使用 CompletableFuture 实现的转账服务：
public interface AccountService { CompletableFuture<Void> add(int account, int amount);}
public interface TransferService { CompletableFuture<Void> transfer(int fromAccount, int toAccount, int amount);}
public class TransferServiceImpl implements TransferService { @Inject private AccountService accountService;
@Override public CompletableFuture<Void> transfer(int fromAccount, int toAccount, int amount) { return accountService.add(fromAccount, -1 * amount) .thenCompose(v -> accountService.add(toAccount, amount)); }}
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客户端使用 CompletableFuture 也非常灵活，既可以同步调用，也可以异步调用：
public class Client { @Inject private TransferService transferService;
private final static int A = 1000; private final static int B = 1001;
public void syncInvoke() throws ExecutionException, InterruptedException { transferService.transfer(A, B, 100).get(); System.out.println("转账完成！"); }
public void asyncInvoke() { transferService.transfer(A, B, 100) .thenRun(() -> System.out.println("转账完成！")); }}
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小结
异步编程的核心思想是：当我们要执行一项耗时操作时，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，可以减少或避免线程等待，从而提升系统的吞吐能力。
尽管异步编程能显著提升性能，但它也增加了代码的复杂度。异步模型适用于业务逻辑简单且需要高吞吐量的场景，而在复杂业务逻辑下，采用易于开发和维护的同步模型可能是更明智的选择。
希望这篇文章能帮助你更好地理解异步编程的魔力，并在合适的场景下应用它来提升系统性能。
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