并发编程之同步/异步/回调/任务 工作流程分析图解

并发编程之同步/异步/回调/任务 工作流程分析图解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/alises1314/article/details/143496871

在现代软件开发中，多线程和异步编程已成为提升应用性能和响应速度的关键技术。Java提供了强大的并发工具，如Thread、Runnable、Callable和Future，这些工具使开发者能够有效地管理线程和任务。Thread和Runnable允许我们创建和执行线程，而Callable和Future则提供了异步计算结果的机制。这些工具和概念不仅帮助我们解决了多线程环境下的复杂问题，还提供了处理暂时性故障和优化资源访问的策略。对于任何希望深入理解并发编程的Java开发者来说，掌握这些基础概念和工具是必不可少的。

1、同步与异步

1.1 同步与异步设计图

• 同步处理：指向同步处理的节点，包括阻塞当前线程、顺序执行和等待结果。
• 异步处理：指向异步处理的节点，包括不阻塞当前线程、并行执行和回调结果。

同步处理：

• 阻塞当前线程：在等待操作完成时，当前线程不能执行其他任务。
• 顺序执行：任务按照顺序一个接一个地执行。
• 等待结果：线程等待操作完成并获取结果。

异步处理：

• 不阻塞当前线程：在等待操作完成时，当前线程可以继续执行其他任务。
• 并行执行：多个任务可以同时执行，提高效率。
• 回调结果：操作完成后，通过回调函数或其他机制返回结果。

1.2 同步处理时序图

1. 客户端请求数据：客户端发起一个请求，要求同步API提供数据。
2. 同步API查询数据库：同步API将请求转发到数据库。
3. 数据库返回结果：数据库处理请求并将结果返回给同步API。
4. 同步API返回结果：同步API将数据库的结果返回给客户端。

1.3 异步处理时序图

1. 客户端发起异步请求：客户端向异步API发起一个请求，要求查询数据，但不会等待响应。
2. 异步API查询数据库：异步API将查询任务发送到数据库，并立即返回，不会阻塞。
3. 数据库处理完毕：数据库在后台处理查询任务。
4. 调用回调函数：一旦数据库处理完毕，异步API调用预先定义的回调函数。
5. 返回结果给客户端：回调函数将结果返回给客户端。

1.3 回调时序图

1. 客户端注册回调并发起异步请求：客户端向异步API发起请求，并提供一个回调函数，用于在异步操作完成后接收结果。
2. 异步API立即返回：异步API接收请求后立即返回，不等待异步操作完成。
3. 客户端继续执行：客户端可以继续执行其他任务，而不必等待异步操作的结果。
4. 异步API执行异步操作：异步API在后台执行异步操作。
5. 异步操作完成：一旦异步操作完成，异步API调用之前注册的回调函数。
6. 回调执行：回调函数被执行，处理异步操作的结果。
7. 返回结果给客户端：回调函数将异步操作的结果返回给客户端。

2、任务执行单元

2.1 Thread 工作模式

1. 创建 Thread 对象：通过new Thread()或其子类构造函数创建一个新的线程对象。
2. 设置 Runnable 任务：为线程对象设置一个实现了Runnable接口的任务。
3. 启动线程：调用线程对象的start()方法来启动线程。
4. 线程状态：线程可以处于以下几种状态之一：

• 运行中：线程正在执行其run()方法。
• 阻塞：线程等待监视器锁。
• 等待：线程等待某个条件或超时。
• 终止：线程执行完毕或被中断。

5. 执行 run 方法：线程开始执行其run()方法。
6. 调用 Runnable.run：Thread类的run()方法内部调用Runnable任务的run()方法。
7. 执行任务：实际的Runnable任务开始执行。
8. 任务执行完毕：Runnable任务执行完毕。
9. 线程结束：任务执行完毕后，线程结束其生命周期。
10. 等待解锁：如果线程需要访问同步代码块或方法，它可能会因为等待锁而被阻塞。
11. 等待条件：线程可能在wait()、join()或其他等待条件下等待。

3、任务单元

3.1 Runnable 无返回值

Runnable接口设计
Runnable接口是Java中一个功能性接口，用于那些可以被线程执行的任务。它只包含一个方法run()，该方法不接受参数，也不返回任何值（即返回类型为void）。

接口定义

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    void run();
}

使用Runnable的步骤

1. 实现Runnable接口：创建一个类实现Runnable接口，并覆盖run()方法来定义任务的执行逻辑。

public class MyRunnableTask implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 任务执行的代码
        System.out.println("任务正在执行");
    }
}

2. 创建Thread对象：创建Thread对象时，将实现了Runnable接口的类的实例作为参数传递给Thread构造函数。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnableTask task = new MyRunnableTask();
        Thread thread = new Thread(task);
        thread.start(); // 启动线程，执行任务
    }
}

3. 启动线程：调用Thread对象的start()方法来启动线程。这将导致在新线程中异步执行run()方法。

3.2 Callable 有返回值

Callable接口设计
Callable接口是Java并发编程中的一部分，它允许任务返回结果和抛出异常。以下是Callable接口的基本设计和用法的说明：

接口定义

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

• Callable：Callable是一个泛型接口，V代表返回值的类型。
• call()：这是一个方法，它不接受任何参数，可以返回任何类型的值（V），并且可以抛出任何类型的异常。

使用Callable的步骤

1. 实现Callable接口：创建一个类实现Callable接口，并覆盖call()方法来定义任务的执行逻辑和返回结果。

public class MyCallable implements Callable<String> {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        // 任务执行的代码
        return "任务结果";
    }
}

2. 创建FutureTask对象：将实现了Callable接口的类的实例传递给FutureTask构造函数。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        MyCallable task = new MyCallable();
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(task);
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.start(); // 启动线程，执行任务
        // 获取任务结果
        String result = futureTask.get();
        System.out.println("任务结果: " + result);
    }
}

3. 启动线程：调用Thread对象的start()方法来启动线程。这将导致在新线程中异步执行FutureTask的run()方法，该方法内部会调用Callable的call()方法。

4、异步结果

4.1 Future

1. 提交异步任务：通过ExecutorService提交一个异步任务。
2. ExecutorService：执行异步任务的服务。
3. Future对象：ExecutorService提交任务后返回一个Future对象，该对象可以用来检查计算是否完成、等待计算完成、取消任务和获取计算结果。
4. 检查完成：通过Future对象的isDone()方法检查异步任务是否已完成。
5. 已完成：如果任务已完成，通过Future对象的get()方法获取结果。
6. 获取结果：处理异步任务的结果。
7. 未完成：如果任务未完成，可以选择等待或取消任务。
8. 等待或取消：等待任务完成或取消任务。
9. 等待超时：设置超时时间等待任务完成。
10. 取消任务：尝试取消任务。
11. 处理结果：处理异步任务的结果。
12. 处理超时：处理等待超时的情况。
13. 处理取消：处理任务取消的情况
14. 客户端提交任务：客户端向执行器服务提交一个实现了Callable接口的异步任务。
15. 执行器服务执行任务：执行器服务接收到任务后，开始执行异步任务。
16. 异步任务设置结果：异步任务执行完毕后，将结果设置到与Future对象关联的内部存储中。
17. 客户端获取结果：客户端调用Future对象的get()方法来获取异步任务的结果。
18. 任务已完成：如果异步任务已经完成，Future对象将返回结果给客户端。
19. 任务未完成：如果异步任务还未完成，Future对象将导致客户端阻塞等待，直到任务完成并返回结果。

• Future：这是一个接口，定义了以下方法：
• cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：尝试取消执行任务。
• isCancelled()：检查任务是否已被取消。
• isDone()：检查任务是否已完成。
• get()：获取任务的结果，如果任务尚未完成，则阻塞等待。
• get(long timeout, TimeUnit unit)：在指定的超时时间内获取任务的结果。

4.2 FutureTask

1. 创建FutureTask对象：创建一个FutureTask对象，它封装了一个Callable对象（如果任务有返回值）或Runnable对象（如果任务没有返回值）。
2. 提交任务：决定是通过ExecutorService提交任务还是直接在当前线程执行。
3. 执行任务：如果通过ExecutorService提交，任务将被安排在线程池中的某个线程执行。如果是直接执行，则调用FutureTask的run方法。
4. 任务状态：检查任务的执行状态。
5. 完成：如果任务正常完成，则设置任务的结果。
6. 被取消：如果任务在执行前被取消，则标记任务为取消状态。
7. 异常：如果任务执行过程中抛出异常，则设置异常信息。
8. 提供结果给调用者：一旦任务完成（无论是正常完成、被取消还是抛出异常），FutureTask将能够提供结果给调用get方法的线程。
9. 客户端提交任务：客户端向执行器服务提交一个实现了Callable接口的任务。
10. 执行器服务创建FutureTask：执行器服务接收到任务后，创建一个FutureTask对象来封装这个任务。
11. 执行任务：执行器服务执行FutureTask的run()方法，这将导致在新线程中异步执行Callable任务的call()方法。
12. 执行任务逻辑：Callable任务执行其逻辑，并可能设置结果或异常。
13. 通知完成：如果客户端已经调用了FutureTask的get()方法并正在等待，FutureTask将通知客户端任务已完成。
14. 客户端获取结果：客户端调用FutureTask的get()方法来获取异步任务的结果。
15. 任务已完成：如果任务已完成，FutureTask返回结果给客户端。
16. 任务未完成：如果任务未完成，FutureTask将导致客户端阻塞等待。

• FutureTask：这是一个类，它实现了Runnable和Future接口。它包含任务的执行结果（result）、任务完成状态（done）和取消状态（cancelled）。
• Callable：这是一个接口，它允许任务返回结果和抛出异常。
• Runnable：这是一个接口，它允许任务被线程执行，但不返回结果和异常。
• TimeUnit：这是一个枚举，它定义了时间单位，用于get方法的超时参数。