CompletableFuture原理与实践-外卖商家端API的异步化

作者 | 长发 旭孟 向鹏,CompletableFuture由Java 8提供，是实现异步化的工具类，上手难度较低，且功能强大，支持通过函数式编程的方式对各类操作进行组合编排。相比于ListenableFuture，CompletableFuture有效提升了代码的可读性，解决了“回调地狱”的问题。本文主要讲述CompletableFuture的原理与实践，同时结合了美团外卖商家端API的异步化实战，希望能对从事相关开发的同学有所帮助或启发。,随着订单量的持续上升，美团外卖各系统服务面临的压力也越来越大。作为外卖链路的核心环节，商家端提供了商家接单、配送等一系列核心功能，业务对系统吞吐量的要求也越来越高。而商家端API服务是流量入口，所有商家端流量都会由其调度、聚合，对外面向商家提供功能接口，对内调度各个下游服务获取数据进行聚合，具有鲜明的I/O密集型（I/O Bound）特点。在当前日订单规模已达千万级的情况下，使用同步加载方式的弊端逐渐显现，因此我们开始考虑将同步加载改为并行加载的可行性。,外卖商家端API服务是典型的I/O密集型（I/O Bound）服务。除此之外，美团外卖商家端交易业务还有两个比较大的特点：,在外卖交易链路如此大的流量下，为了保证商家的用户体验，保证接口的高性能，并行从下游获取数据就成为必然。,图1 订单卡片,并行从下游获取数据，从IO模型上来讲分为同步模型和异步模型。,从各个服务获取数据最常见的是同步调用，如下图所示：,图2 同步调用,在同步调用的场景下，接口耗时长、性能差，接口响应时长T > T1+T2+T3+……+Tn，这时为了缩短接口的响应时间，一般会使用线程池的方式并行获取数据，商家端订单卡片的组装正是使用了这种方式。,图3 并行之线程池,这种方式由于以下两个原因，导致资源利用率比较低：,同步模型下，会导致硬件资源无法充分利用，系统吞吐量容易达到瓶颈。,我们主要通过以下两种方式来减少线程池的调度开销和阻塞时间：,我们首先对业界广泛流行的解决方案做了横向调研，主要包括Future、CompletableFuture注2、RxJava、Reactor。它们的特性对比如下：,RxJava与Reactor显然更加强大，它们提供了更多的函数调用方式，支持更多特性，但同时也带来了更大的学习成本。而我们本次整合最需要的特性就是“异步”、“可组合”，综合考虑后，我们选择了学习成本相对较低的CompletableFuture。,CompletableFuture是由Java 8引入的，在Java8之前我们一般通过Future实现异步。,下面将举例来说明，我们通过ListenableFuture、CompletableFuture来实现异步的差异。假设有三个操作step1、step2、step3存在依赖关系，其中step3的执行依赖step1和step2的结果。Future(ListenableFuture)的实现（回调地狱）如下：,CompletableFuture的实现如下：,显然，CompletableFuture的实现更为简洁，可读性更好。,图4 CompletableFuture的定义,CompletableFuture实现了两个接口（如上图所示）：Future、CompletionStage。Future表示异步计算的结果，CompletionStage用于表示异步执行过程中的一个步骤（Stage），这个步骤可能是由另外一个CompletionStage触发的，随着当前步骤的完成，也可能会触发其他一系列CompletionStage的执行。从而我们可以根据实际业务对这些步骤进行多样化的编排组合，CompletionStage接口正是定义了这样的能力，我们可以通过其提供的thenAppy、thenCompose等函数式编程方法来组合编排这些步骤。,下面我们通过一个例子来讲解CompletableFuture如何使用，使用CompletableFuture也是构建依赖树的过程。一个CompletableFuture的完成会触发另外一系列依赖它的CompletableFuture的执行：,图5 请求执行流程,如上图所示，这里描绘的是一个业务接口的流程，其中包括CF1\CF2\CF3\CF4\CF5共5个步骤，并描绘了这些步骤之间的依赖关系，每个步骤可以是一次RPC调用、一次数据库操作或者是一次本地方法调用等，在使用CompletableFuture进行异步化编程时，图中的每个步骤都会产生一个CompletableFuture对象，最终结果也会用一个CompletableFuture来进行表示。根据CompletableFuture依赖数量，可以分为以下几类：零依赖、一元依赖、二元依赖和多元依赖。,我们先看下如何不依赖其他CompletableFuture来创建新的CompletableFuture：,,图6 零依赖如上图红色链路所示，接口接收到请求后，首先发起两个异步调用CF1、CF2，主要有三种方式：,第三种方式的一个典型使用场景，就是将回调方法转为CompletableFuture，然后再依赖CompletableFure的能力进行调用编排，示例如下：,图7 一元依赖,如上图红色链路所示，CF3，CF5分别依赖于CF1和CF2，这种对于单个CompletableFuture的依赖可以通过thenApply、thenAccept、thenCompose等方法来实现，代码如下所示：,图8 二元依赖如上图红色链路所示，CF4同时依赖于两个CF1和CF2，这种二元依赖可以通过thenCombine等回调来实现，如下代码所示：,图9 多元依赖,如上图红色链路所示，整个流程的结束依赖于三个步骤CF3、CF4、CF5，这种多元依赖可以通过allOf或anyOf方法来实现，区别是当需要多个依赖全部完成时使用allOf，当多个依赖中的任意一个完成即可时使用anyOf，如下代码所示：,CompletableFuture中包含两个字段：result和stack。result用于存储当前CF的结果，stack（Completion）表示当前CF完成后需要触发的依赖动作（Dependency Actions），去触发依赖它的CF的计算，依赖动作可以有多个（表示有多个依赖它的CF），以栈（Treiber stack）的形式存储，stack表示栈顶元素。,图10 CF基本结构这种方式类似“观察者模式”，依赖动作（Dependency Action）都封装在一个单独Completion子类中。下面是Completion类关系结构图。CompletableFuture中的每个方法都对应了图中的一个Completion的子类，Completion本身是观察者的基类。,图11 CF类图,按照类似“观察者模式”的设计思想，原理分析可以从“观察者”和“被观察者”两个方面着手。由于回调种类多，但结构差异不大，所以这里单以一元依赖中的thenApply为例，不再枚举全部回调类型。如下图所示：,图12 thenApply简图,3.3.1.1 被观察者,3.3.1.2 观察者,CompletableFuture支持很多回调方法，例如thenAccept、thenApply、exceptionally等，这些方法接收一个函数类型的参数f，生成一个Completion类型的对象（即观察者），并将入参函数f赋值给Completion的成员变量fn，然后检查当前CF是否已处于完成状态（即result != null），如果已完成直接触发fn，否则将观察者Completion加入到CF的观察者链stack中，再次尝试触发，如果被观察者未执行完则其执行完毕之后通知触发。,3.3.2.1 一元依赖,这里仍然以thenApply为例来说明一元依赖的流程：,图13 执行流程简要说明,初步流程设计如上图所示，这里有几个关于注册与通知的并发问题，大家可以思考下：Q1：在观察者注册之前，如果CF已经执行完成，并且已经发出通知，那么这时观察者由于错过了通知是不是将永远不会被触发呢 ？A1：不会。在注册时检查依赖的CF是否已经完成。如果未完成（即result == null）则将观察者入栈，如果已完成（result != null）则直接触发观察者操作。Q2：在”入栈“前会有”result == null“的判断，这两个操作为非原子操作，CompletableFufure的实现也没有对两个操作进行加锁，完成时间在这两个操作之间，观察者仍然得不到通知，是不是仍然无法触发？,,图14 入栈校验,A2：不会。入栈之后再次检查CF是否完成，如果完成则触发。Q3：当依赖多个CF时，观察者会被压入所有依赖的CF的栈中，每个CF完成的时候都会进行，那么会不会导致一个操作被多次执行呢 ？如下图所示，即当CF1、CF2同时完成时，如何避免CF3被多次触发。,,图15 多次触发,A3：CompletableFuture的实现是这样解决该问题的：观察者在执行之前会先通过CAS操作设置一个状态位，将status由0改为1。如果观察者已经执行过了，那么CAS操作将会失败，取消执行。通过对以上3个问题的分析可以看出，CompletableFuture在处理并行问题时，全程无加锁操作，极大地提高了程序的执行效率。我们将并行问题考虑纳入之后，可以得到完善的整体流程图如下所示：,,图16 完整流程,CompletableFuture支持的回调方法十分丰富，但是正如上一章节的整体流程图所述，他们的整体流程是一致的。所有回调复用同一套流程架构，不同的回调监听通过策略模式实现差异化。,3.3.2.2 二元依赖,我们以thenCombine为例来说明二元依赖：,图17 二元依赖数据结构,thenCombine操作表示依赖两个CompletableFuture。其观察者实现类为BiApply，如上图所示，BiApply通过src和snd两个属性关联被依赖的两个CF，fn属性的类型为BiFunction。与单个依赖不同的是，在依赖的CF未完成的情况下，thenCombine会尝试将BiApply压入这两个被依赖的CF的栈中，每个被依赖的CF完成时都会尝试触发观察者BiApply，BiApply会检查两个依赖是否都完成，如果完成则开始执行。这里为了解决重复触发的问题，同样用的是上一章节提到的CAS操作，执行时会先通过CAS设置状态位，避免重复触发。,3.3.2.3 多元依赖,依赖多个CompletableFuture的回调方法包括allOf、anyOf，区别在于allOf观察者实现类为BiRelay，需要所有被依赖的CF完成后才会执行回调；而anyOf观察者实现类为OrRelay，任意一个被依赖的CF完成后就会触发。二者的实现方式都是将多个被依赖的CF构建成一棵平衡二叉树，执行结果层层通知，直到根节点，触发回调监听。,图18 多元依赖结构树,本章节为CompletableFuture实现原理的科普，旨在尝试不粘贴源码，而通过结构图、流程图以及搭配文字描述把CompletableFuture的实现原理讲述清楚。把晦涩的源码翻译为“整体流程”章节的流程图，并且将并发处理的逻辑融入，便于大家理解。,在商家端API异步化的过程中，我们遇到了一些问题，这些问题有的会比较隐蔽，下面把这些问题的处理经验整理出来。希望能帮助到更多的同学，大家可以少踩一些坑。,要合理治理线程资源，最基本的前提条件就是要在写代码时，清楚地知道每一行代码都将执行在哪个线程上。下面我们看一下CompletableFuture的执行线程情况。CompletableFuture实现了CompletionStage接口，通过丰富的回调方法，支持各种组合操作，每种组合场景都有同步和异步两种方法。同步方法（即不带Async后缀的方法）有两种情况。,异步方法（即带Async后缀的方法）：可以选择是否传递线程池参数Executor运行在指定线程池中；当不传递Executor时，会使用ForkJoinPool中的共用线程池CommonPool（CommonPool的大小是CPU核数-1，如果是IO密集的应用，线程数可能成为瓶颈）。例如：,前面提到，异步回调方法可以选择是否传递线程池参数Executor，这里我们建议强制传线程池，且根据实际情况做线程池隔离。当不传递线程池时，会使用ForkJoinPool中的公共线程池CommonPool，这里所有调用将共用该线程池，核心线程数=处理器数量-1（单核核心线程数为1），所有异步回调都会共用该CommonPool，核心与非核心业务都竞争同一个池中的线程，很容易成为系统瓶颈。手动传递线程池参数可以更方便的调节参数，并且可以给不同的业务分配不同的线程池，以求资源隔离，减少不同业务之间的相互干扰。,如上代码块所示，doGet方法第三行通过supplyAsync向threadPool1请求线程，并且内部子任务又向threadPool1请求线程。threadPool1大小为10，当同一时刻有10个请求到达，则threadPool1被打满，子任务请求线程时进入阻塞队列排队，但是父任务的完成又依赖于子任务，这时由于子任务得不到线程，父任务无法完成。主线程执行cf1.join()进入阻塞状态，并且永远无法恢复。为了修复该问题，需要将父任务与子任务做线程池隔离，两个任务请求不同的线程池，避免循环依赖导致的阻塞。,服务异步化后很多步骤都会依赖于异步RPC调用的结果，这时需要特别注意一点，如果是使用基于NIO（比如Netty）的异步RPC，则返回结果是由IO线程负责设置的，即回调方法由IO线程触发，CompletableFuture同步回调（如thenApply、thenAccept等无Async后缀的方法）如果依赖的异步RPC调用的返回结果，那么这些同步回调将运行在IO线程上，而整个服务只有一个IO线程池，这时需要保证同步回调中不能有阻塞等耗时过长的逻辑，否则在这些逻辑执行完成前，IO线程将一直被占用，影响整个服务的响应。,由于异步执行的任务在其他线程上执行，而异常信息存储在线程栈中，因此当前线程除非阻塞等待返回结果，否则无法通过try\catch捕获异常。CompletableFuture提供了异常捕获回调exceptionally，相当于同步调用中的try\catch。使用方法如下所示：,有一点需要注意，CompletableFuture在回调方法中对异常进行了包装。大部分异常会封装成CompletionException后抛出，真正的异常存储在cause属性中，因此如果调用链中经过了回调方法处理那么就需要用Throwable.getCause()方法提取真正的异常。但是，有些情况下会直接返回真正的异常（Stack Overflow的讨论），最好使用工具类提取异常，如下代码所示：,上面代码中用到了一个自定义的工具类ExceptionUtils，用于CompletableFuture的异常提取，在使用CompletableFuture做异步编程时，可以直接使用该工具类处理异常。实现代码如下：,在实践过程中我们沉淀了一些通用的工具方法，在使用CompletableFuture开发时可以直接拿来使用，详情参见“附录”。,通过异步化改造，美团商家端API系统的性能得到明显提升，与改造前对比的收益如下：,注1：“增量同步”是指商家客户端与服务端之间的订单增量数据同步协议，客户端使用该协议获取新增订单以及状态发生变化的订单。注2：本文涉及到的所有技术点依赖的Java版本为JDK 8，CompletableFuture支持的特性分析也是基于该版本。,长发、旭孟、向鹏，均来自美团外卖商家组技术团队。