Spring Boot 异步线程

一般的后台管理系统都有导出报表的功能，对于大数据量的报表导出，通常比较耗时，比如管理员点击一个导出按钮，往往要等待很长的时间直到报表成功导出才可以进行下一步操作，显然这种同步的方式已经满足不了需求了。现在实际开发中常用的方式是采用JMS消息队列方式，发送消息到其他的系统中进行导出，或者是在项目中开启异步线程来完成耗时的导出工作。本文将结合报表导出的场景，来讲解一些Spring Boot中如何开启异步线程。

定义线程池和开启异步可用
Spring中存在一个接口AsyncConfigurer接口，该接口就是用来配置异步线程池的接口，它有两个方法，getAsyncExecutor和getAsyncUncaughtExceptionHandler，第一个方法是获取一个线程池，第二个方法是用来处理异步线程中发生的异常。它的源码如下所示：

package org.springframework.scheduling.annotation;

import java.util.concurrent.Executor;
import org.springframework.aop.interceptor.AsyncUncaughtExceptionHandler;
import org.springframework.lang.Nullable;

public interface AsyncConfigurer {

    // 获取线程池
    @Nullable
    default Executor getAsyncExecutor() {
        return null;
    }

    // 异步异常处理器
    @Nullable
    default AsyncUncaughtExceptionHandler getAsyncUncaughtExceptionHandler() {
        return null;
    }
}

这里的接口提供的都是空实现，所以想要开启异步线程机制，那么就需要我们手动实现这个接口，将实现该接口的类标注为Spring的配置类，那么就开启了Spring的异步可用，那么Spring就会通过getAsyncExecutor来获取一个可用的线程来执行某项异步操作，当然，整个异步的开启还需要结合两个注解，一个是@EnableAsync，另外一个是@Async，第一个是标注在配置类中，用来告诉Spring异步可用，第二个注解通常标注在某个方法中，当调用这个方法的时候，就会从线程池中获取新的线程来执行它。
现在我们来定义线程池并开启异步可用，这里写一个配置类AsyncConfig来实现AsyncConfigurer，代码如下所示：

package cn.itlemon.springboot.async.config;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.aop.interceptor.AsyncUncaughtExceptionHandler;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.scheduling.annotation.AsyncConfigurer;
import org.springframework.scheduling.annotation.EnableAsync;
import org.springframework.scheduling.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor;

import java.util.concurrent.Executor;

/**
 * @author jiangpingping
 * @date 2018/10/30 19:28
 */
@Configuration
@EnableAsync
@Slf4j
public class AsyncConfig implements AsyncConfigurer {

    @Override
    public Executor getAsyncExecutor() {
        // 自定义线程池
        ThreadPoolTaskExecutor taskExecutor = new ThreadPoolTaskExecutor();
        // 核心线程数
        taskExecutor.setCorePoolSize(10);
        // 最大线程数
        taskExecutor.setMaxPoolSize(30);
        // 线程队列最大线程数
        taskExecutor.setQueueCapacity(2000);
        // 初始化线程池
        taskExecutor.initialize();
        return taskExecutor;
    }

    @Override
    public AsyncUncaughtExceptionHandler getAsyncUncaughtExceptionHandler() {
        return (ex, method, params) -> {
            log.error("Error Occurs in async method:{}", ex.getMessage());
        };
    }
}

第一个方法我们定义了一个线程池，并设置了一些基本参数，比如核心线程数、最大线程数、线程队列最大线程数等，第二个方法是处理异步线程中发生的异常，它是一个异常处理器，返回AsyncUncaughtExceptionHandler接口的实现类对象，由于AsyncUncaughtExceptionHandler是一个函数式接口（只有一个抽象方法的接口，通常使用@FunctionalInterface注解标注的接口），所以这里使用了Lambda表达式来简写它的实现类对象，这里的异步异常处理就是记录一下日志，并没有做其他的逻辑操作，如果对Lambda表达式不熟悉，也可以直接使用匿名内部类的方式来创建AsyncUncaughtExceptionHandler的实现类对象，如下所示：

@Override
public AsyncUncaughtExceptionHandler getAsyncUncaughtExceptionHandler() {

    return new AsyncUncaughtExceptionHandler() {
        @Override
        public void handleUncaughtException(Throwable ex, Method method, Object... params) {
            log.error("Error Occurs in async method:{}", ex.getMessage());
        }
    };
}

需要注意的一点的是，我们在上面的配置类中加入了@EnableAsync注解，那么在Spring注册该配置类为Spring Bean的时候，就会开启异步可用机制。

测试异步可用机制
写一个Service层接口，用来表明生成报表：

package cn.itlemon.springboot.async.service;

import java.util.concurrent.Future;

/**
 * @author jiangpingping
 * @date 2018/10/30 19:32
 */
public interface AsyncService {

    /**
     * 模拟生成报表的异步方法
     */
    void generateReport();

}

它的实现类是：

package cn.itlemon.springboot.async.service.impl;

import cn.itlemon.springboot.async.service.AsyncService;
import org.springframework.scheduling.annotation.Async;
import org.springframework.scheduling.annotation.AsyncResult;
import org.springframework.stereotype.Service;

import java.util.concurrent.Future;

/**
 * @author jiangpingping
 * @date 2018/10/30 19:33
 */
@Service
public class AsyncServiceImpl implements AsyncService {

    @Override
    @Async
    public void generateReport() {
        // 模拟异步生成报表代码，这里设置为打印
        System.out.println("报表线程名称：【" + Thread.currentThread().getName() + "】");
    }
    
}

这里假设进行了报表的导出工作，所以使用打印语句来进行简单的模拟，并在方法中标注了@Async注解，那么当调用该方法的时候，Spring会获取一个新的线程来执行这个方法，所以这里打印出执行当前方法的线程名称。我们在写一个控制器，代码如下：

package cn.itlemon.springboot.async.controller;

import cn.itlemon.springboot.async.service.AsyncService;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Future;

/**
 * @author jiangpingping
 * @date 2018/10/30 19:36
 */
@RestController
@RequestMapping("/async")
@Slf4j
public class AsyncController {

    private final AsyncService asyncService;

    @Autowired
    public AsyncController(AsyncService asyncService) {
        this.asyncService = asyncService;
    }

    @GetMapping("/page")
    public String asyncPage() {
        System.out.println("当前请求线程名称为：【" + Thread.currentThread().getName() + "】");
        // 异步调用
        asyncService.generateReport();
        // 返回结果
        return "async";
    }
    
}

我们在当前Controller方法中也打印了当前的线程，运行项目，访问指定的URL，就可以对比在调用generateReport方法的时候是否启用了新的线程。我们启动Spring Boot应用，在浏览器地址栏输入：http://localhost:8080/async/page，在控制台打印的结果是：

当前请求线程名称为：【http-nio-8080-exec-1】
报表线程名称：【ThreadPoolTaskExecutor-1】

很明显，这不是同一个线程，说明我们开启异步线程成功。

处理异步线程中的异常
一般在Spring中处理异步线程异常分成两类，一类是异步方法没有返回值，另一类是异步方法有返回值。

第一类无返回值方法
对于第一类无返回值情况，我们已经在AsyncConfig配置类中进行了配置，即实现getAsyncUncaughtExceptionHandler方法，也就是当异步线程中的代码发生了异常，就会调用这个方法来进行异常处理，为了检验，我们在AsyncServiceImpl的方法generateReport中手动加一行代码System.out.println(1 / 0);，从而导致其出除零异常，代码如下所示：

@Override
@Async
public void generateReport() {
    // 模拟异步生成报表代码，这里设置为打印
    System.out.println("报表线程名称：【" + Thread.currentThread().getName() + "】");
    System.out.println(1 / 0);
}

当再次启动Spring Boot应用，在浏览器地址栏输入：http://localhost:8080/async/page，那么将在异步流程中发生异常，由于是在不同线程中发生的异常，所以它并不会影响主线程的执行，且发生异常后，由配置了getAsyncUncaughtExceptionHandler方法，那么该异常将会被处理，处理的方式就是使用日志进行了记录：

2018-10-31 10:57:09.952 ERROR 2391 --- [lTaskExecutor-1] c.i.springboot.async.config.AsyncConfig  : Error Occurs in async method:/ by zero
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第二类有返回值方法
对于第二种情况，即异步方法会有返回值，那么我们如何获取到异步线程处理后的返回值呢，通常的方法是将异步方法的返回值使用接口Future、ListenableFuture或者类AsyncResult进行包装，即将返回值作为泛型传入到上述接口或者类中。这里我们来简要分析一下它们的源码中的常用方法。

Future接口：

public interface Future<V> {

    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    
    boolean isCancelled();
    
    boolean isDone();
    
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    
    V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

方法分析：

cancel方法用来取消任务，如果取消任务成功则返回true，如果取消任务失败则返回false。参数mayInterruptIfRunning表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务，如果设置true，则表示可以取消正在执行过程中的任务。如果任务已经完成，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，此方法肯定返回false，即如果取消已经完成的任务会返回false；如果任务正在执行，若mayInterruptIfRunning设置为true，则返回true，若mayInterruptIfRunning设置为false，则返回false；如果任务还没有执行，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，肯定返回true。
isCancelled方法表示任务是否被取消成功，如果在任务正常完成前被取消成功，则返回true。
isDone方法表示任务是否已经完成，若任务完成，则返回true；
get方法用来获取执行结果，这个方法会产生阻塞，会一直等到任务执行完毕才返回；
get(long timeout, TimeUnit unit)用来获取执行结果，如果在指定时间内，还没获取到结果，就直接返回null。
ListenableFuture接口：

public interface ListenableFuture<T> extends Future<T> {

    void addCallback(ListenableFutureCallback<? super T> callback);

    void addCallback(SuccessCallback<? super T> successCallback, FailureCallback failureCallback);

    default CompletableFuture<T> completable() {
        CompletableFuture<T> completable = new DelegatingCompletableFuture<>(this);
        addCallback(completable::complete, completable::completeExceptionally);
        return completable;
    }
}

ListenableFuture继承了Future接口，它还额外添加了三个方法，主要用来添加异步现场的回调，可以用来处理异常和获取异步方法的返回值的。AsyncResult类实现了ListenableFuture接口，也实现了它所有的方法。接下来，我们将分别介绍如何获取异步处理后的返回值和异常处理。

使用Future接口

我们在AsyncService接口中添加一个方法：returnMessage()，并使用Future接口来进行包装，代码如下：

/**
 * 异步回调消息方法
 *
 * @return 字符串
 */
Future<String> returnMessage();

实现类中的代码如下：

@Override
@Async
public Future<String> returnMessage() {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    String message = "Async Method Result";
    return new AsyncResult<>(message);
}

那么在Controller层，就可以获取到Future的实现类对象，代码如下：

@GetMapping("/page1")
public String asyncPage1() {
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        Future<String> result = asyncService.returnMessage();
        System.out.println(result.get());
    } catch (ExecutionException | InterruptedException e) {
        log.error("发生了异常：{}", e.getMessage());
    }
    return "async";
}

这里对异步进行了try...catch异常处理，也使用了Future的get方法获取了异步方法的返回值，但是这种获取返回值的方式会阻塞当前线程，也就是说调用了get方法之后，会等待异步线程执行完毕后才进行下一行代码的执行。

使用ListenableFuture接口

我们在AsyncService接口中添加一个方法：returnMsg()，并使用ListenableFuture接口来进行包装，代码如下：

/**
 * 异步回调消息方法
 *
 * @return 字符串
 */
ListenableFuture<String> returnMsg();

实现类中的代码如下：

@Override
@Async
public ListenableFuture<String> returnMsg() {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    String message = "Async Method Result";
    return new AsyncResult<>(message);
}

那么在Controller层，就可以获取到ListenableFuture的实现类对象，代码如下：

@GetMapping("/page2")
public String asyncPage2() {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    ListenableFuture<String> result = asyncService.returnMsg();
    result.addCallback(new SuccessCallback<String>() {
        @Override
        public void onSuccess(String result) {
            System.out.println("返回的结果是：" + result);
        }
    }, new FailureCallback() {
        @Override
        public void onFailure(Throwable ex) {
            log.error("发生了异常：{}", ex.getMessage());
        }
    });
    return "async";
}

从上面的代码中可以看出，在返回的结果中添加了两个回调，分别是异步处理成功的回调SuccessCallback接口的实现类对象和异步处理失败发生异常的回调FailureCallback接口的实现类对象。ListenableFuture接口是对Future接口的扩展，支持回调，有效的避免了线程阻塞问题，也就是说，它会监听Future接口的执行情况，一旦完成，就会调用onSuccess方法进行成功后的处理，一旦发生异常，就会调用onFailure方法进行异常处理。相比较而言，更加推荐使用ListenableFuture来进行有返回值的异步处理。对于Java1.8，其实更加推荐使用CompletableFuture或者guava的ListenableFuture，感兴趣的同学可以进行深入研究，他们的处理异步能力会更加强悍