单线程处理一系列任务时，如果某个任务比较耗时，则会增加整体的时间花费。而
该任务的部分后续任务，可能不依赖该任务的执行结果，因此完全可以通过异步执行耗时任务来减少等待。通过使用Promise(承诺)模式来进行优化。

Promise模式简介

Promise模式是一种异步编程模式，它可以减少等待，增加系统的并发性。
主要是思想是，开始一个任务的执行，但不等待该任务完成才执行其他操作，而是得到一个用于获取该任务执行结果的凭据对象。等到我们需要该任务的执行结果时，再调用凭据对象的相关方法来获取。

框架组成：

  • Client：客户端调用某个异步方法，返回一个凭据对象(Promise,承诺)。凭借该对象，客户端可以在需要的时候获取异步方法相应真正任务的执行结果。
  • Promisor：负责对外暴露可以返回Promise对象的异步方法(compute)，并启动异步任务的执行。
  • Promise：包装异步任务处理结果的凭据对象，主要负责检测异步任务是否处理完毕(isDone)，返回(getResult)和存储(setResult)异步任务处理结果。
  • Result：负责表示异步任务处理结果。具体类型由客户端决定。
  • TaskExecutor：负责执行异步任务的计算，并将其计算结果设置到相应的Promise实例。

序列图：

  • 客户端代码获取异步任务处理结果的过程：
    1. client调用Promisor的异步方法compute
    2. compute创建Promise实例作为返回值并返回给client
    3. client调用Promise实例的getResult方法来获取异步任务处理结果，如果此时异步任务尚未完成，则getResult方法会阻塞直到异步任务处理完成。

  • 异步任务执行以及处理结果设置的过程：
    1. Promisor.compute()创建TaskExecutor实例
    2. TaskExecutor实例的run方法执行（使用其他线程或者线程池来调用run方法）
    3. run方法执行结束后创建Result实例
    4. run方法将Result 设置到相应Promise实例中。

实战案例

  • 功能：某系统的一个功能模块需要将一批本地文件上传到指定的目标FTP服务器上，这些文件是根据页面中的输入条件查询数据库的相应记录生成的。在文件上传到目标服务器之前，需要对FTP客户端实例进行初始化。
  • 需求：因为FTP客户端实例初始化这个操作比较耗时间，我们希望它尽可能地在本地文件上传之前准备就绪。使FTP客户端实例初始化和本地文件上传这两个任务能够并发执行，减少不必要的等待。同时不希望增加太多代码编写的复杂性。
  • 解决方案：引入异步编程，使用Promise模式。先开始FTP客户端实例的初始化，并得到一个获取FTP客户端实例的凭据对象。在不必等待FTP客户端实例初始化完毕的情况下，生成本地文件后，通过凭据对象获取FTP客户端实例，通过该实例将文件上传到目标服务器。
  • 功能模块方法入口：
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public void uploadFilesToFTP() {
    // ftp连接信息
    String ftpInfo = "server + userName + password";
    //先开始初始化FTP客户端实例，获取一个凭据对象
    Future<FTPClientUtil> ftpClientUtilPromise = FTPClientUtil.newInstance(ftpInfo);
    //查询数据库生成本地文件
    Set<File> files = generateFilesFromDB();
    // 通过凭据对象获取初始化完毕的FTP客户端实例，如果未执行完毕，则该线程阻塞
    FTPClientUtil ftpClientUtil = ftpClientUtilPromise.get();
    // 使用初始化完毕的FTP客户端实例上传文件
    ftpClientUtil.upload(files);
}
  • FTP客户端工具类：
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//模式角色：Promisor，Result
public class FTPClientUtil {
    private FTPClientUtil() {}
    //模式角色：Promisor.compute
    public static Future<FTPClientUtil> newInstance(final String ftpInfo) {
        Callable<FTPClientUtil> callable = new Callable<FTPClientUtil>() {
            @Override
            public FTPClientUtil call() throws Exception {
                FTPClientUtil self = new FTPClientUtil();
                //始化ftp客户端
                initFtp(ftpInfo);
                return self;
            }
        };
        //模式角色：Promise；返回给client的凭据对象
        final FutureTask<FTPClientUtil> task = new FutureTask<FTPClientUtil>(callable);
		//模式角色：Promise.TaskExecutor
        new Thread(task).start();
        return task;
    }
    //文件上传ftp
    public void upload(Set<File> files) {}
}
* Callable和Runnable类似，区别在于有返回值。Callable<FTPClientUtil> 表示一个返回FTPClientUtil对象的异步计算
* Future 是java提供的用作Promise的抽象接口类，包含了Promise 需要的get(), isDone() 等方法
* FutureTask包装器实现了Runnable和Future，将Callable转换成了这两者。

FTPClientUtil类封装了FTP客户端，其构造方法是private修饰的，因此其他类无法通过new来生成相应的实例，而是通过其静态方法newInstance来获得实例。不过newInstance方法的返回值并不是一个FTPClientUtil实例，而是一个可以获取FTPClientUtil实例的凭据对象。

上述的实现可以发现，使用Promise模式的异步编程并没有本质上增加编程的复杂性，客户端代码的编写方式与同步编程并没有太大差别，唯一区别就是获取ftp客户端实例时多了一步get方法调用。

评价

优点：
  • 增加系统并发性，减少不必要的等待
  • 保持同步编程的简单性，异步编程的细节都封装在Promisor中，对client不可见
其他处理：

  1. 异步方法异常处理：
    异步任务运行在自己的线程中，如果产生异常，无法再compute方法中抛出，如果想让client捕获到异常，可以让TaskExecutor在执行中捕获到异常后，记录到Promise实例中的一个特定变量上，Promise实例的get()方法先对该字段进行检查，如果有值则抛出异常供client捕获。（FutureTask采用该方法实现）

  2. 轮询减少线程阻塞：
    client 调用get()方法时，如果异步任务未完成则会导致阻塞。首先我们应该通过尽早调用compute方法并尽可能晚地调用get()方法来避免这种等待的出现。但如果我们想避免该阻塞的出现，我们可以通过调用isDone方法来判断异步任务是否完成。

  3. 线程池优化线程创建开销
    因为异步任务是通过新建一个线程去执行的，如果系统中存在多个线程调用Promisor的异步方法，会导致启动的线程数量过多从而对性能产生影响，这个时候考虑使用线程池负责执行TaskExecutor的run方法来实现异步任务的执行，以此来减少开启线程的开销。

参考

Java多线程编程模式实战指南之Promise模式