在之前的文章中就討論過為什么在高并發(fā)的情況下，程序會(huì)崩潰。主要原因是，在高并發(fā)的情況下，有大量用戶請(qǐng)求需要程序計(jì)算處理，而目前的處理方式是，為每個(gè)用戶請(qǐng)求分配一個(gè)線程，當(dāng)程序內(nèi)部因?yàn)樵L問數(shù)據(jù)庫等原因造成線程阻塞時(shí)，線程無法釋放去處理其他請(qǐng)求，這樣就會(huì)造成請(qǐng)求堆積，不斷消耗資源，最終導(dǎo)致程序崩潰。

這是傳統(tǒng)的 Web 應(yīng)用程序運(yùn)行期的線程特性。對(duì)于一個(gè)高并發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)來說，總是同時(shí)有很多個(gè)用戶請(qǐng)求到達(dá)系統(tǒng)的 Web 容器。Web 容器為每個(gè)請(qǐng)求分配一個(gè)線程進(jìn)行處理，線程在處理過程中，如果遇到訪問數(shù)據(jù)庫或者遠(yuǎn)程服務(wù)等操作，就會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候，如果數(shù)據(jù)庫或者遠(yuǎn)程服務(wù)響應(yīng)延遲，就會(huì)出現(xiàn)程序內(nèi)的線程無法釋放的情況，而外部的請(qǐng)求不斷進(jìn)來，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)資源被快速消耗，最終程序崩潰。

那么有沒有不阻塞線程的編程方法呢？

一、反應(yīng)式編程

答案就是反應(yīng)式編程。反應(yīng)式編程本質(zhì)上是一種異步編程方案，在多線程（協(xié)程）、異步方法調(diào)用、異步 I/O 訪問等技術(shù)基礎(chǔ)之上，提供了一整套與異步調(diào)用相匹配的編程模型，從而實(shí)現(xiàn)程序調(diào)用非阻塞、即時(shí)響應(yīng)等特性，即開發(fā)出一個(gè)反應(yīng)式的系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)編程領(lǐng)域越來越高的并發(fā)處理需求。

人們還提出了一個(gè)反應(yīng)式宣言，認(rèn)為反應(yīng)式系統(tǒng)應(yīng)該具備如下特質(zhì)：

• 即時(shí)響應(yīng)，應(yīng)用的調(diào)用者可以即時(shí)得到響應(yīng)，無需等到整個(gè)應(yīng)用程序執(zhí)行完畢。也就是說應(yīng)用調(diào)用是非阻塞的。
• 回彈性，當(dāng)應(yīng)用程序部分功能失效的時(shí)候，應(yīng)用系統(tǒng)本身能夠進(jìn)行自我修復(fù)，保證正常運(yùn)行，保證響應(yīng)，不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰和宕機(jī)的情況。
• 彈性，系統(tǒng)能夠?qū)?yīng)用負(fù)載壓力做出響應(yīng)，能夠自動(dòng)伸縮以適應(yīng)應(yīng)用負(fù)載壓力，根據(jù)壓力自動(dòng)調(diào)整自身的處理能力，或者根據(jù)自身的處理能力，調(diào)整進(jìn)入系統(tǒng)中的訪問請(qǐng)求數(shù)量。
• 消息驅(qū)動(dòng)，功能模塊之間，服務(wù)之間，通過消息進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，完成服務(wù)的流程。

目前主流的反應(yīng)式編程框架有 RxJAVA、Reactor 等，它們的主要特點(diǎn)是基于觀察者設(shè)計(jì)模式的異步編程方案，編程模型采用函數(shù)式編程。

觀察者模式和函數(shù)式編程有自己的優(yōu)勢(shì)，但是反應(yīng)式編程并不是必須用觀察者模式和函數(shù)式編程。Flower 就是一個(gè)純消息驅(qū)動(dòng)，完全異步，支持命令式編程的反應(yīng)式編程框架。

下面我們就看看 Flower 如何實(shí)現(xiàn)異步無阻塞的調(diào)用，以及 Flower 這個(gè)框架設(shè)計(jì)使用了什么樣的設(shè)計(jì)原則與模式。

二、反應(yīng)式編程框架Flower的基本原理

一個(gè)使用 Flower 框架開發(fā)的典型 Web 應(yīng)用的線程特性如下圖所示：

當(dāng)并發(fā)用戶到達(dá)應(yīng)用服務(wù)器的時(shí)候，Web 容器線程不需要執(zhí)行應(yīng)用程序代碼，它只是將用戶的 HTTP 請(qǐng)求變?yōu)檎?qǐng)求對(duì)象，將請(qǐng)求對(duì)象異步交給 Flower 框架的 Service 去處理，自身立刻就返回。因?yàn)槿萜骶€程不做太多的工作，所以只需極少的容器線程就可以滿足高并發(fā)的用戶請(qǐng)求，用戶的請(qǐng)求不會(huì)被阻塞，不會(huì)因?yàn)槿萜骶€程不夠而無法處理。相比傳統(tǒng)的阻塞式編程，Web 容器線程要完成全部的請(qǐng)求處理操作，直到返回響應(yīng)結(jié)果才能釋放線程；使用Flower 框架只需要極少的容器線程就可以處理較多的并發(fā)用戶請(qǐng)求，而且容器線程不會(huì)阻塞。

用戶請(qǐng)求交給基于 Flower 框架開發(fā)的業(yè)務(wù) Service 對(duì)象以后，Service 之間依然是使用異步消息通訊的方式進(jìn)行調(diào)用，不會(huì)直接進(jìn)行阻塞式的調(diào)用。一個(gè) Service 完成業(yè)務(wù)邏輯處理計(jì)算以后，會(huì)返回一個(gè)處理結(jié)果，這個(gè)結(jié)果以消息的方式異步發(fā)送給它的下一個(gè)Service。

傳統(tǒng)編程模型的 Service 之間如果進(jìn)行調(diào)用，被調(diào)用的Service 在返回之前，調(diào)用的 Service 方法只能阻塞等待。而 Flower 的 Service 之間使用了 AKKA Actor 進(jìn)行消息通信，調(diào)用者的 Service 發(fā)送調(diào)用消息后，不需要等待被調(diào)用者返回結(jié)果，就可以處理自己的下一個(gè)消息了。事實(shí)上，這些 Service 可以復(fù)用同一個(gè)線程去處理自己的消息，也就是說，只需要有限的幾個(gè)線程就可以完成大量的 Service 處理和消息傳輸，這些線程不會(huì)阻塞等待。

我們剛才提到，通常 Web 應(yīng)用主要的線程阻塞，是因?yàn)閿?shù)據(jù)庫的訪問導(dǎo)致的線程阻塞。Flower 支持異步數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)，用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)庫的時(shí)候，將請(qǐng)求提交給異步數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)，立刻就返回，不會(huì)阻塞當(dāng)前線程，異步數(shù)據(jù)庫訪問連接遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行真正的數(shù)據(jù)庫操作，得到結(jié)果以后，將結(jié)果以異步回調(diào)的方式發(fā)送給 Flower 的 Service 進(jìn)行進(jìn)一步的處理，這個(gè)時(shí)候依然不會(huì)有線程被阻塞。

也就是說，使用 Flower 開發(fā)的系統(tǒng)，在一個(gè)典型的 Web 應(yīng)用中，幾乎沒有任何地方會(huì)被阻塞，所有的線程都可以被不斷地復(fù)用，有限的線程就可以完成大量的并發(fā)用戶請(qǐng)求，從而大大地提高了系統(tǒng)的吞吐能力和響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)，由于線程不會(huì)被阻塞，應(yīng)用就不會(huì)因?yàn)椴l(fā)量太大或者數(shù)據(jù)庫處理緩慢而宕機(jī)，從而提高了系統(tǒng)的可用性。

Flower 框架實(shí)現(xiàn)異步無阻塞，一方面是利用了 Web 容器的異步特性，主要是 Servlet3.0以后提供的 AsyncContext，快速釋放容器線程；另一方面是利用了異步的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)以及異步的網(wǎng)絡(luò)通信，主要是 HttpAsyncClient 等異步通信組件。而 Flower 框架內(nèi)，核心的應(yīng)用代碼之間的異步無阻塞調(diào)用，則是利用了 Akka 的 Actor 模型實(shí)現(xiàn)。

Akka Actor 的異步消息驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)如下：

一個(gè) Actor 向另一個(gè) Actor 進(jìn)行通訊的時(shí)候，當(dāng)前 Actor 就是一個(gè)消息的發(fā)送者sender，當(dāng)它想要向另一個(gè) Actor 進(jìn)行通訊的時(shí)候，就需要獲得另一個(gè) Actor 的ActorRef，也就是一個(gè)引用，通過引用進(jìn)行消息通信。而 ActorRef 收到消息以后，會(huì)將這個(gè)消息放入到目標(biāo) Actor 的 Mailbox 里面去，然后就立即返回了。

也就是說一個(gè) Actor 向另一個(gè) Actor 發(fā)送消息的時(shí)候，不需要另一個(gè) Actor 去真正地處理這個(gè)消息，只需要將消息發(fā)送到目標(biāo) Actor 的 Mailbox 里面就可以了。自己不會(huì)被阻塞，可以繼續(xù)執(zhí)行自己的操作，而目標(biāo) Actor 檢查自己的 Mailbox 中是否有消息，如果有消息，Actor 則會(huì)在從 Mailbox 里面去獲取消息，對(duì)消息進(jìn)行異步的處理，而所有的 Actor會(huì)共享線程，這些線程不會(huì)有任何的阻塞。

三、反應(yīng)式編程框架Flower的設(shè)計(jì)方法

但是直接使用 Actor 進(jìn)行編程有很多不便，F(xiàn)lower 框架對(duì) Actor 進(jìn)行了封裝，開發(fā)者只需要編寫一些細(xì)粒度的 Service，這些 Service 會(huì)被包裝在 Actor 里面，進(jìn)行異步通信。Flower Service 例子如下：

publicclassServiceAimplementsService<Message2>{
    @Override
    publicObjectprocess(Message2message){
        returnmessage.getAge()+1;
    }
}

每個(gè) Service 都需要實(shí)現(xiàn)框架的 Service 接口的 process 方法，process 方法的輸入?yún)?shù)就是前一個(gè) Service process 方法的返回值，這樣只需要將 Service 編排成一個(gè)流程，Service 的返回值就會(huì)變成 Actor 的一個(gè)消息，被發(fā)送給下一個(gè) Service，從而實(shí)現(xiàn)Service 的異步通信。

Service 的流程編排有兩種方式，一種方式是編程實(shí)現(xiàn)，如下：

getServiceFlow().buildFlow("ServiceA","ServiceB");

表示 ServiceA 的返回值將作為消息發(fā)送給 ServiceB，成為 ServiceB 的輸入值，這樣兩個(gè)Service 就可以合作完成一些更復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯。

Flower 還支持可視化的 Service 流程編排，像下面這張圖一樣編輯流程定義文件，就可以開發(fā)一個(gè)異步業(yè)務(wù)處理流程。

那么這個(gè) Flower 框架是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

Flower 框架的設(shè)計(jì)也是基于依賴倒置原則。所有應(yīng)用開發(fā)者實(shí)現(xiàn)的Service 類都需要包裝在 Actor 里面進(jìn)行異步調(diào)用，但是 Actor 不會(huì)依賴開發(fā)者實(shí)現(xiàn)的Service 類，開發(fā)者也不會(huì)依賴 Actor 類，他們共同依賴一個(gè) Service 接口，這個(gè)接口是框架提供的，如上面例子所示。

Actor 與 Service 的依賴倒置關(guān)系如下圖所示：

每個(gè) Actor 都依賴一個(gè) Service 接口，而具體的 Service 實(shí)現(xiàn)類，比如 MyService，則實(shí)現(xiàn)這個(gè) Service 接口。在運(yùn)行期實(shí)例化 Actor 的時(shí)候，這個(gè)接口被注入具體的 Service 實(shí)現(xiàn)類，比如 MyService。在 Flower 中，調(diào)用 MyService 對(duì)象，其實(shí)就是給包裝MyService 對(duì)象的 Actor 發(fā)消息，Actor 收到消息，執(zhí)行自己的 onReceive 方法，在這個(gè)方法里，Actor 調(diào)用 MyService 的 process 方法，并將 onReceive 收到的 Message 對(duì)象當(dāng)做 process 的輸入?yún)?shù)傳入。

process 處理完成后，返回一個(gè) Object 對(duì)象。Actor 會(huì)根據(jù)編排好的流程，獲取MyService 在流程中的下一個(gè) Service 對(duì)應(yīng)的 Actor，即 nextServiceActor，將 process返回的 Object 對(duì)象當(dāng)做消息發(fā)送給這個(gè) nextServiceActor。這樣，Service 之間就根據(jù)編排好的流程，異步、無阻塞地調(diào)用執(zhí)行起來了。

四、反應(yīng)式編程框架Flower的落地效果

Flower 框架在部分項(xiàng)目中落地應(yīng)用，應(yīng)用效果較為顯著，一方面，F(xiàn)lower 可以顯著提高系統(tǒng)的性能。這是某個(gè) C# 開發(fā)的系統(tǒng)使用 Flower 重構(gòu)后的 TPS 性能比較，使用 Flower 開發(fā)的系統(tǒng) TPS 差不多是原來 C# 系統(tǒng)的兩倍。

另一方面，F(xiàn)lower 對(duì)系統(tǒng)可用性也有較大提升，目前常見互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)如下圖：

用戶請(qǐng)求通過網(wǎng)關(guān)服務(wù)器調(diào)用微服務(wù)完成處理，那么當(dāng)有某個(gè)微服務(wù)連接的數(shù)據(jù)庫查詢執(zhí)行較慢時(shí)，如圖中服務(wù) 1，那么按照傳統(tǒng)的線程阻塞模型，就會(huì)導(dǎo)致服務(wù) 1 的線程都被阻塞在這個(gè)慢查詢的數(shù)據(jù)庫操作上。同樣的，網(wǎng)關(guān)線程也會(huì)阻塞在調(diào)用這個(gè)延遲比較厲害的服務(wù)1 上。

最終的效果就是，網(wǎng)關(guān)所有的線程都被阻塞，即使是不調(diào)用服務(wù) 1 的用戶請(qǐng)求也無法處理，最后整個(gè)系統(tǒng)失去響應(yīng)，應(yīng)用宕機(jī)。使用阻塞式編程，實(shí)際的壓測(cè)效果如下，當(dāng)服務(wù) 1響應(yīng)延遲，出錯(cuò)率大幅飆升的時(shí)候，通過網(wǎng)關(guān)調(diào)用正常的服務(wù) 2 的出錯(cuò)率也非常高。

使用 Flower 開發(fā)的網(wǎng)關(guān)，實(shí)際壓測(cè)效果如下，同樣服務(wù) 1 響應(yīng)延遲，出錯(cuò)率極高的情況下，通過 Flower 網(wǎng)關(guān)調(diào)用服務(wù) 2 完全不受影響。

五、總結(jié)

事實(shí)上，F(xiàn)lower 不僅是一個(gè)反應(yīng)式 Web 編程框架，還是反應(yīng)式的微服務(wù)框架。也就是說，F(xiàn)lower 的 Service 可以遠(yuǎn)程部署到一個(gè) Service 容器里面，就像我們現(xiàn)在常用的微服務(wù)架構(gòu)一樣。Flower 會(huì)提供一個(gè)獨(dú)立的 Flower 容器，用于啟動(dòng)一些 Service，這些Service 在啟動(dòng)了以后，會(huì)向注冊(cè)中心進(jìn)行注冊(cè)，而且應(yīng)用程序可以將這些分布式的Service 進(jìn)行流程編排，得到一個(gè)分布式非阻塞的微服務(wù)系統(tǒng)。整體架構(gòu)和主流的微服務(wù)架構(gòu)很像，主要的區(qū)別就是 Flower 的服務(wù)是異步的，通過流程編排的方式進(jìn)行服務(wù)調(diào)用，而不是通過接口依賴的方式進(jìn)行調(diào)用。