在Servlet 3.0之前，Servlet采用Thread-Per-Request的方式处理请求，即每一次Http请求都由某一个线程从头到尾负责处理。如果一个请求需要进行IO操作，比如访问数据库、调用第三方服务接口等，那么其所对应的线程将同步地等待IO操作完成， 而IO操作是非常慢的，所以此时的线程并不能及时地释放回线程池以供后续使用，在并发量越来越大的情况下，这将带来严重的性能问题。即便是像Spring、Struts这样的高层框架也脱离不了这样的桎梏，因为他们都是建立在Servlet之上的。为了解决这样的问题，Servlet 3.0引入了异步处理，然后在Servlet 3.1中又引入了非阻塞IO来进一步增强异步处理的性能。
本文源代码：https://github.com/davenkin/servlet-3-async-learning
在Servlet 3.0中，我们可以从HttpServletRequest对象中获得一个AsyncContext对象，该对象构成了异步处理的上下文，Request和Response对象都可从中获取。AsyncContext可以从当前线程传给另外的线程，并在新的线程中完成对请求的处理并返回结果给客户端，初始线程便可以还回给容器线程池以处理更多的请求。如此，通过将请求从一个线程传给另一个线程处理的过程便构成了Servlet 3.0中的异步处理。
举个例子，对于一个需要完成长时处理的Servlet来说，其实现通常为：
@WebServlet("/syncHello")
public class SyncHelloServlet extends HttpServlet {
protected void doGet(HttpServletRequest request,
HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
new LongRunningProcess().run();
response.getWriter().write("Hello World!");
}
}
为了模拟长时处理过程，我们创建了一个LongRunningProcess类，其run()方法将随机地等待2秒之内的一个时间：
public class LongRunningProcess {
public void run() {
try {
int millis = ThreadLocalRandom.current().nextInt(2000);
String currentThread = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(currentThread + " sleep for " + millis + " milliseconds.");
Thread.sleep(millis);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
此时的SyncHelloServlet将顺序地先执行LongRunningProcess的run()方法，然后将将HelloWorld返回给客户端，这是一个典型的同步过程。
在Servlet 3.0中，我们可以这么写来达到异步处理：
@WebServlet(value = "/simpleAsync", asyncSupported = true)
public class SimpleAsyncHelloServlet extends HttpServlet {
protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
AsyncContext asyncContext = request.startAsync();
asyncContext.start(() -> {
new LongRunningProcess().run();
try {
asyncContext.getResponse().getWriter().write("Hello World!");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
asyncContext.complete();
});
}
此时，我们先通过request.startAsync()获取到该请求对应的AsyncContext，然后调用AsyncContext的start()方法进行异步处理，处理完毕后需要调用complete()方法告知Servlet容器。start()方法会向Servlet容器另外申请一个新的线程（可以是从Servlet容器中已有的主线程池获取，也可以另外维护一个线程池，不同容器实现可能不一样），然后在这个新的线程中继续处理请求，而原先的线程将被回收到主线程池中。事实上，这种方式对性能的改进不大，因为如果新的线程和初始线程共享同一个线程池的话，相当于闲置下了一个线程，但同时又占用了另一个线程。
当然，除了调用AsyncContext的start()方法，我们还可以通过手动创建线程的方式来实现异步处理：
@WebServlet(value = "/newThreadAsync", asyncSupported = true)
public class NewThreadAsyncHelloServlet extends HttpServlet {
protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
AsyncContext asyncContext = request.startAsync();
Runnable runnable = () -> {
new LongRunningProcess().run();
try {
asyncContext.getResponse().getWriter().write("Hello World!");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
asyncContext.complete();
};
new Thread(runnable).start();
}
}
自己手动创建新线程一般是不被鼓励的，并且此时线程不能重用。因此，一种更好的办法是我们自己维护一个线程池。这个线程池不同于Servlet容器的主线程池，如下图：
在上图中，用户发起的请求首先交由Servlet容器主线程池中的线程处理，在该线程中，我们获取到AsyncContext，然后将其交给异步处理线程池。可以通过Java提供的Executor框架来创建线程池：
@WebServlet(value = "/threadPoolAsync", asyncSupported = true)
public class ThreadPoolAsyncHelloServlet extends HttpServlet {
private static ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(100, 200, 50000L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100));
protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
AsyncContext asyncContext = request.startAsync();
executor.execute(() -> {
new LongRunningProcess().run();
try {
asyncContext.getResponse().getWriter().write("Hello World!");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
asyncContext.complete();
});
}
}
Servlet 3.0对请求的处理虽然是异步的，但是对InputStream和OutputStream的IO操作却依然是阻塞的，对于数据量大的请求体或者返回体，阻塞IO也将导致不必要的等待。因此在Servlet 3.1中引入了非阻塞IO（参考下图红框内容），通过在HttpServletRequest和HttpServletResponse中分别添加ReadListener和WriterListener方式，只有在IO数据满足一定条件时（比如数据准备好时），才进行后续的操作。
对应的代码示:
@WebServlet(value = "/nonBlockingThreadPoolAsync", asyncSupported = true)
public class NonBlockingAsyncHelloServlet extends HttpServlet {
private static ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(100, 200, 50000L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100));
protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
AsyncContext asyncContext = request.startAsync();
ServletInputStream inputStream = request.getInputStream();
inputStream.setReadListener(new ReadListener() {
@Override
public void onDataAvailable() throws IOException {
}
@Override
public void onAllDataRead() throws IOException {
executor.execute(() -> {
new LongRunningProcess().run();
try {
asyncContext.getResponse().getWriter().write("Hello World!");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
asyncContext.complete();
});
}
@Override
public void onError(Throwable t) {
asyncContext.complete();
}
});
}
}
在上例中，我们为ServletInputStream添加了一个ReadListener，并在ReadListener的onAllDataRead()方法中完成了长时处理过程。