javaCompletableFuture原理与实践-外卖商家端API的异步化

Posted 2022-10-16 九师兄

1.概述

转载：CompletableFuture原理与实践-外卖商家端API的异步化

0 背景

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。

1 为何需要并行加载

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：

服务端必须一次返回订单卡片所有内容：根据商家端和服务端的“增量同步协议注1”，服务端必须一次性返回订单的所有信息，包含订单主信息、商品、结算、配送、用户信息、骑手信息、餐损、退款、客服赔付（参照下面订单卡片截图）等，需要从下游三十多个服务中获取数据。在特定条件下，如第一次登录和长时间没登录的情况下，客户端会分页拉取多个订单，这样发起的远程调用会更多。

商家端和服务端交互频繁：商家对订单状态变化敏感，多种推拉机制保证每次变更能够触达商家，导致App和服务端的交互频繁，每次变更需要拉取订单最新的全部内容。

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。

2 并行加载的实现方式

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。

2.1 同步模型

从各个服务获取数据最常见的是同步调用，如下图所示：

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。

这种方式由于以下两个原因，导致资源利用率比较低：

• CPU资源大量浪费在阻塞等待上，导致CPU资源利用率低。在Java 8之前，一般会通过回调的方式来减少阻塞，但是大量使用回调，又引发臭名昭著的回调地狱问题，导致代码可读性和可维护性大大降低。

• 为了增加并发度，会引入更多额外的线程池，随着CPU调度线程数的增加，会导致更严重的资源争用，宝贵的CPU资源被损耗在上下文切换上，而且线程本身也会占用系统资源，且不能无限增加。

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

2.2 NIO异步模型

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：

通过RPC NIO异步调用的方式可以降低线程数，从而降低调度（上下文切换）开销，如Dubbo的异步调用可以参考《dubbo调用端异步》一文。

通过引入CompletableFuture（下文简称CF）对业务流程进行编排，降低依赖之间的阻塞。本文主要讲述CompletableFuture的使用和原理。

2.3 为什么会选择CompletableFuture？

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：

• 可组合：可以将多个依赖操作通过不同的方式进行编排，例如CompletableFuture提供thenCompose、thenCombine等各种then开头的方法，这些方法就是对“可组合”特性的支持。

• 操作融合：将数据流中使用的多个操作符以某种方式结合起来，进而降低开销（时间、内存）。

• 延迟执行：操作不会立即执行，当收到明确指示时操作才会触发。例如Reactor只有当有订阅者订阅时，才会触发操作。

• 回压：某些异步阶段的处理速度跟不上，直接失败会导致大量数据的丢失，对业务来说是不能接受的，这时需要反馈上游生产者降低调用量。

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。

3 CompletableFuture使用与原理

3.1 CompletableFuture的背景和定义

3.1.1 CompletableFuture解决的问题

CompletableFuture是由Java 8引入的，在Java8之前我们一般通过Future实现异步。

Future用于表示异步计算的结果，只能通过阻塞或者轮询的方式获取结果，而且不支持设置回调方法，Java 8之前若要设置回调一般会使用guava的ListenableFuture，回调的引入又会导致臭名昭著的回调地狱（下面的例子会通过ListenableFuture的使用来具体进行展示）。

CompletableFuture对Future进行了扩展，可以通过设置回调的方式处理计算结果，同时也支持组合操作，支持进一步的编排，同时一定程度解决了回调地狱的问题。

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：

/**
     * todo: 10/12/22 9:20 AM 九师兄
     * 测试点：测试 Future(ListenableFuture)的实现（回调地狱）
     * https://tech.meituan.com/2022/05/12/principles-and-practices-of-completablefuture.html
     **/
    public void callHell() 
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        ListeningExecutorService guavaExecutor = MoreExecutors.listeningDecorator(executor);
        ListenableFuture<String> future1 = guavaExecutor.submit(() -> 
            //step 1
            System.out.println("执行step 1");
            return "step1 result";
        );
        ListenableFuture<String> future2 = guavaExecutor.submit(() -> 
            //step 2
            System.out.println("执行step 2");
            return "step2 result";
        );
        ListenableFuture<List<String>> future1And2 = Futures.allAsList(future1, future2);

        Futures.addCallback(future1And2, new FutureCallback<List<String>>() 
            @Override
            public void onSuccess(List<String> result) 
                System.out.println(result);
                ListenableFuture<String> future3 = guavaExecutor.submit(() -> 
                    System.out.println("执行step 3");
                    return "step3 result";
                );
                Futures.addCallback(future3, new FutureCallback<String>() 
                    @Override
                    public void onSuccess(String result) 
                        System.out.println(result);
                    

                    @Override
                    public void onFailure(Throwable t) 
                    
                , guavaExecutor);
            

            @Override
            public void onFailure(Throwable t) 
            
        , guavaExecutor);
    

CompletableFuture的实现如下：

 /**
     * todo: 10/12/22 9:20 AM 九师兄
     * 测试点：测试 CompletableFuture 的实现（回调地狱）
     *     明显简单很多
     * https://tech.meituan.com/2022/05/12/principles-and-practices-of-completablefuture.html
     **/
    public void callHellV2() 
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 
            System.out.println("执行step 1");
            return "step1 result";
        , executor);
        CompletableFuture<String> cf2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 
            System.out.println("执行step 2");
            return "step2 result";
        );
        cf1.thenCombine(cf2, (result1, result2) -> 
            System.out.println(result1 + " , " + result2);
            System.out.println("执行step 3");
            return "step3 result";
        ).thenAccept(result3 -> System.out.println(result3));
    

显然，CompletableFuture的实现更为简洁，可读性更好。

3.1.2 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。

3.2 CompletableFuture的使用

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：

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。

3.2.1 零依赖：CompletableFuture的创建

我们先看下如何不依赖其他CompletableFuture来创建新的CompletableFuture：

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：

/**
     *todo: 10/12/22 11:00 AM 九师兄
     * 测试点：0依赖
     **/
    public void zeroRelyon()
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        //1、使用runAsync或supplyAsync发起异步调用
        CompletableFuture<String> cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 
            return "result1";
        , executor);

        //2、CompletableFuture.completedFuture()直接创建一个已完成状态的CompletableFuture
        CompletableFuture<String> cf2 = CompletableFuture.completedFuture("result2");

        //3、先初始化一个未完成的CompletableFuture，然后通过complete()、completeExceptionally()，完成该CompletableFuture
        CompletableFuture<String> cf = new CompletableFuture<>();
        cf.complete("success");
    

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：

@FunctionalInterface
public interface ThriftAsyncCall 
    void invoke() throws TException;

 /**
  * 该方法为美团内部rpc注册监听的封装，可以作为其他实现的参照
  * OctoThriftCallback 为thrift回调方法
  * ThriftAsyncCall 为自定义函数，用来表示一次thrift调用（定义如上）
  */
  public static <T> CompletableFuture<T> toCompletableFuture(final OctoThriftCallback<?,T> callback , ThriftAsyncCall thriftCall) 
   //新建一个未完成的CompletableFuture
   CompletableFuture<T> resultFuture = new CompletableFuture<>();
   //监听回调的完成，并且与CompletableFuture同步状态
   callback.addObserver(new OctoObserver<T>() 
       @Override
       public void onSuccess(T t) 
           resultFuture.complete(t);
       
       @Override
       public void onFailure(Throwable throwable) 
           resultFuture.completeExceptionally(throwable);
       
   );
   if (thriftCall != null) 
       try 
           thriftCall.invoke();
        catch (TException e) 
           resultFuture.completeExceptionally(e);
       
   
   return resultFuture;
  

3.2.2 一元依赖：依赖一个CF

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：

CompletableFuture<String> cf3 = cf1.thenApply(result1 -> 
  //result1为CF1的结果
  //......
  return "result3";
);
CompletableFuture<String> cf5 = cf2.thenApply(result2 -> 
  //result2为CF2的结果
  //......
  return "result5";
);

3.2.3 二元依赖：依赖两个CF

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：

CompletableFuture<String> cf4 = cf1.thenCombine(cf2, (result1, result2) -> 
  //result1和result2分别为cf1和cf2的结果
  return "result4";
);

3.2.4 多元依赖：依赖多个CF

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<Void> cf6 = CompletableFuture.allOf(cf3, cf4, cf5);
CompletableFuture<String> result = cf6.thenApply(v -> 
  //这里的join并不会阻塞，因为传给thenApply的函数是在CF3、CF4、CF5全部完成时，才会执行 。
  result3 = cf3.join();
  result4 = cf4.join();
  result5 = cf5.join();
  //根据result3、result4、result5组装最终result;
  return "result";
);

3.3 CompletableFuture原理

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。

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。

• UniCompletion继承了Completion，是一元依赖的基类，例如thenApply的实现类UniApply就继承自UniCompletion。

• BiCompletion继承了UniCompletion，是二元依赖的基类，同时也是多元依赖的基类。例如thenCombine的实现类BiRelay就继承自BiCompletion。

3.3.1 CompletableFuture的设计思想

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：

3.3.1.1 被观察者

每个CompletableFuture都可以被看作一个被观察者，其内部有一个Completion类型的链表成员变量stack，用来存储注册到其中的所有观察者。当被观察者执行完成后会弹栈stack属性，依次通知注册到其中的观察者。上面例子中步骤fn2就是作为观察者被封装在UniApply中。

被观察者CF中的result属性，用来存储返回结果数据。这里可能是一次RPC调用的返回值，也可能是任意对象，在上面的例子中对应步骤fn1的执行结果。

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。

• 观察者中的dep属性：指向其对应的CompletableFuture，在上面的例子中dep指向CF2。

• 观察者中的src属性：指向其依赖的CompletableFuture，在上面的例子中src指向CF1。

• 观察者Completion中的fn属性：用来存储具体的等待被回调的函数。这里需要注意的是不同的回调方法（thenAccept、thenApply、exceptionally等）接收的函数类型也不同，即fn的类型有很多种，在上面的例子中fn指向fn2。

3.3.2 整体流程

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：

• 将观察者Completion注册到CF1，此时CF1将Completion压栈。
• 当CF1的操作运行完成时，会将结果赋值给CF1中的result属性。
• 依次弹栈，通知观察者尝试运行。

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？

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。

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：

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：

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。

3.3.3 小结

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。

4 实践总结

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。

4.1 线程阻塞问题

4.1.1 代码执行在哪个线程上？

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。

• 如果注册时被依赖的操作已经执行完成，则直接由当前线程执行。

• 如果注册时被依赖的操作还未执行完，则由回调线程执行。

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：

ExecutorService threadPool1 = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100));
CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 
    System.out.println("supplyAsync 执行线程：" + Thread.currentThread().getName());
    //业务操作
    return "";
, threadPool1);
//此时，如果future1中的业务操作已经执行完毕并返回，则该thenApply直接由当前main线程执行；否则，将会由执行以上业务操作的threadPool1中的线程执行。
future1.thenApply(value -> 
    System.out.println("thenApply 执行线程：" + Thread.currentThread().getName());
    return value + "1";
);
//使用ForkJoinPool中的共用线程池CommonPool
future1.thenApplyAsync(value -> 
//do something
  return value + "1";
);
//使用指定线程池
future1.thenApplyAsync(value -> 
//do something
  return value + "1";
, threadPool1);

4.2 线程池须知

4.2.1 异步回调要传线程池

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。

4.2.2 线程池循环引用会导致死锁

public Object doGet() 
  ExecutorService threadPool1 = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100));
  CompletableFuture cf1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> 
  //do sth
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> 
        System.out.println("child");
        return "child";
      , threadPool1).join();//子任务
    , threadPool1);
  return cf1.join();

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。

4.2.3 异步RPC调用注意不要阻塞IO线程池

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