JVM 并发性: Scala 中的异步事件处理

了解阻塞和非阻塞技术，包括使用 async 宏轻松编写非阻塞代码

http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jvmc4/

Scala Future 和 Promise 类提供了进行异步处理的强大方式，包括组织和排序事件的非阻塞方式。async / await 结构（被实现为宏）使得在 Scala 中编写非阻塞事件处理代码变得更加容易。本教程将展示基本的 Future 和 Promise 技术的实际应用，然后演示 async / await 如何将看起来简单的阻塞代码转换为非阻塞执行。

在任何并发性应用程序中，异步事件处理都至关重要。无论事件的来源是什么（不同的计算任务、I/O 操作或与外部系统的交互），您的代码都必须跟踪事件，协调为响应它们而执行的操作。应用程序可以采用两种基本方法之一来实现异步事件处理：

• 阻塞：一个等待事件的协调线程。
• 非阻塞：事件向应用程序生成某种形式的通知，而没有线程显式等待它。

在 “JVM 并发性：阻塞还是非阻塞？” 中，可以了解 Java™ 8 中处理异步事件的方式，并使用基于 CompletableFuture 类的阻塞和非阻塞技术。本教程将展示 Scala 中一些异步事件处理选项，首先会介绍一个简单的阻塞版本，然后介绍一些非阻塞选项。最后，您会看到 async / await 结构如何将简单的阻塞代码转换为非阻塞执行形式。（从作者的 GitHub 存储库中可以获得 完整的示例代码。）

关于本系列

由于多核系统普遍存在，并发性编程无疑获得了比以往任何时候都要广泛的应用。但并发性可能难以正确实现，而且您需要借助新工具来使用它。许多基于 JVM 的语言正在开发这种工具，Scala 在此领域尤为活跃。本系列介绍一些为 Java 和 Scala 语言实现并发编程的较新的方法。

合成事件

scala.concurrent.Promise 和 scala.concurrent.Future 类为 Scala 开发人员提供了一些与 Java 8 开发人员的 CompletableFuture 使用方式类似的选项。具体地讲，Future 同时提供了阻塞和非阻塞的事件完成方式。但是，尽管在此级别上很相似，但用于处理两种 future 的技术是不同的。

在本节中，您将看到处理 Future 所表示的事件的阻塞和非阻塞方法示例。本教程使用了与上一个教程相同的并发任务设置。在深入探讨代码之前，我将回顾一下这些设置。

任务和排序

在一个特定操作中，应用程序通常必须执行多个处理步骤。例如，在向用户返回结果之前，Web 应用程序可能需要：

1. 在一个数据库中查找用户的信息
2. 使用查找到的信息来执行 Web 服务调用，并执行另一次数据库查询。
3. 根据从前两个操作中获得的结果来执行数据库更新。

图 1 演示了这种结构类型。

图 1. 应用程序任务流

图 1 将处理过程分解为 4 个不同的任务，它们通过表示顺序依赖关系的箭头相连接。任务 1 可以直接执行，任务 2 和任务 3 都在任务 1 完成后执行，任务 4 在任务 2 和任务 3 都完成后执行。

建模异步事件

在真实的系统中，异步事件的来源一般是并行计算或一种形式的 I/O 操作。但是，使用简单的时间延迟来建模这种系统会更容易一些，这也是这里所采用的方法。清单 1 显示了我用于生成事件的基本的赋时事件 (timed-event) 代码，这些事件采用了已完成的 Future 格式。

清单 1. 赋时事件代码

import java.util.Timer
import java.util.TimerTask

import scala.concurrent._

object TimedEvent {
  val timer = new Timer

  /** Return a Future which completes successfully with the supplied value after secs seconds. */
  def delayedSuccess[T](secs: Int, value: T): Future[T] = {
    val result = Promise[T]
    timer.schedule(new TimerTask() {
      def run() = {
        result.success(value)
      }
    }, secs * 1000)
    result.future
  }

  /** Return a Future which completes failing with an IllegalArgumentException after secs
    * seconds. */
  def delayedFailure(secs: Int, msg: String): Future[Int] = {
    val result = Promise[Int]
    timer.schedule(new TimerTask() {
      def run() = {
        result.failure(new IllegalArgumentException(msg))
      }
    }, secs * 1000)
    result.future
  }

像上一期的 Java 代码一样，清单 1 中的 Scala 代码使用一个 java.util.Timer 来安排 java.util.TimerTask 在一个延迟之后执行。每个 TimerTask 在运行时完成一个有关联的 future。delayedSuccess 函数定制了一个任务，在运行时成功完成一个 Scala Future[T]，然后将该 future 返回给调用方。delayedSuccess 函数返回相同类型的 future，但使用了一个在完成 future 时发生 IllegalArgumentException 异常的失败任务。

清单 2 展示了如何使用 清单 1 中的代码创建 Future[Int] 格式的事件，使之与 图 1 中的 4 个任务相匹配。（此代码来自示例代码中的 AsyncHappy 类。）

清单 2. 示例任务的事件

// task definitions
def task1(input: Int) = TimedEvent.delayedSuccess(1, input + 1)
def task2(input: Int) = TimedEvent.delayedSuccess(2, input + 2)
def task3(input: Int) = TimedEvent.delayedSuccess(3, input + 3)
def task4(input: Int) = TimedEvent.delayedSuccess(1, input + 4)

清单 2 中 4 个任务方法中的每一个都为该任务的完成时刻使用了特定的延迟值：task1 为 1 秒，task2 为 2 秒，task3 为 3 秒，task4 重新变为 1 秒。每个任务还接受一个输入值，是该输入加上任务编号作为 future 的（最终）结果值。这些方法都使用了 future 的成功形式；稍后您会看到一些使用失败形式的例子。

这些任务要求您按 图 1 中所示的顺序运行它们，向每个任务传递上一个任务返回的结果值（或者对于 task4，传递前两个任务结果的和）。如果中间两个任务同时执行，总的执行时间大约为 5 秒（1 秒 + （2 秒、3 秒中的最大值）+ 1 秒。如果 task1 的输入为 1，那么结果为 2。如果该结果被传递给 task2 和 task3，那么结果将为 4 和 5。如果这两个结果的和 (9) 被作为输入传递给 task4，那么最终结果将为 13。

阻塞等待

在设定好操作环境之后，是时候来查看 Scala 如何处理事件的完成情况了。与上一期的 Java 代码中一样，协调 4 个任务的执行的最简单的方法是使用阻塞等待：主要线程等待每个任务依次完成。清单 3（同样来自示例代码中的 AsyncHappy 类）给出了此方法。

清单 3. 阻塞等待任务执行

def runBlocking() = {
  val v1 = Await.result(task1(1), Duration.Inf)
  val future2 = task2(v1)
  val future3 = task3(v1)
  val v2 = Await.result(future2, Duration.Inf)
  val v3 = Await.result(future3, Duration.Inf)
  val v4 = Await.result(task4(v2 + v3), Duration.Inf)
  val result = Promise[Int]
  result.success(v4)
  result.future
}

清单 3 使用 Scala scala.concurrent.Await 对象的 result() 方法来完成阻塞等待。该代码首先等待 task1 的结果，然后同时创建 task2 和 task3 future，并等待两个任务依次返回 future，最后等待 task4 的结果。最后 3 行（创建和设置 result）使得该方法能够返回一个 Future[Int]。返回该 future，让此方法与我接下来展示的非阻塞形式一致，但该 future 将在该方法返回之前完成。

组合 future

清单 4（同样来自示例代码中的 AsyncHappy 类）展示了一种将 future 联系在一起的方式，以便按正确顺序并使用正确的依赖关系执行任务，而不使用阻塞。

清单 4. 使用 onSuccess() 处理事件的完成

def runOnSuccess() = {
  val result = Promise[Int]
  task1(1).onSuccess(v => v match {
    case v1 => {
      val a = task2(v1)
      val b = task3(v1)
      a.onSuccess(v => v match {
        case v2 =>
          b.onSuccess(v => v match {
            case v3 => task4(v2 + v3).onSuccess(v4 => v4 match {
              case x => result.success(x)
            })
          })
      })
    }
  })
  result.future
}

清单 4 代码使用 onSuccess() 方法将一个函数（技术上讲是一个部分函数，因为它仅处理成功完成的情况）设置为在每个 future 完成时返回。因为 onSuccess() 调用是嵌套式的，所以它们将按顺序执行（即使 future 未完全按顺序完成）。

清单 4 的代码比较容易理解，但很冗长。清单 5 展示了一种使用 flatMap() 方法处理这种情况的更简单的方法。

清单 5. 使用 flatMap() 处理事件的完成

def runFlatMap() = {
  task1(1) flatMap {v1 =>
    val a = task2(v1)
    val b = task3(v1)
    a flatMap { v2 =>
      b flatMap { v3 => task4(v2 + v3) }}
  }
}

清单 5 中的代码实际上执行了与 清单 4 相同的事情，但 清单 5 使用了 flatMap() 方法从每个 future 中提取单一结果值。使用 flatMap() 消除了 清单 4 中所需的 match / case 结构，提供了一种更简洁的格式，但采用了同样的逐步执行路线。

试用示例

示例代码使用了一个 Scala App 来依次运行事件代码的每个版本，并确保完成事件（约 5 秒）和结果 (13) 是正确的。您可以使用 Maven 从命令行运行此代码，如清单 6 所示（删除了无关的 Maven 输出）：

清单 6. 运行事件代码

dennis@linux-9qea:~/devworks/scala4/code> mvn scala:run -Dlauncher=happypath
...
[INFO] launcher 'happypath' selected => com.sosnoski.concur.article4.AsyncHappy
Starting runBlocking
runBlocking returned 13 in 5029 ms.
Starting runOnSuccess
runOnSuccess returned 13 in 5011 ms.
Starting runFlatMap
runFlatMap returned 13 in 5002 ms.
�

不顺利的道路

目前为止，您看到了以 future 形式协调事件的代码，这些代码总是能够成功完成。在真实应用程序中，不能寄希望于事情总是这么顺利。处理任务过程中可能会出现问题，而且在 JVM 语言术语中，这些问题通常表示为 Throwable。

更改 清单 2 中的任务定义很容易，只需使用 delayedFailure() 代替 delayedSuccess() 方法，如这里的 task4 所示：

def task4(input: Int) = TimedEvent.delayedFailure(1, "This won't work!")

如果运行仅将 task4 修改为完成时抛出异常的 清单 3，那么您会得到 task4 上的 Await.result() 调用所抛出的预期的 IllegalArgumentException。如果在 runBlocking() 方法中没有捕获该问题，该异常会在调用链中一直传递，直到最终捕获问题（如果未捕获问题，则会终止线程）。幸运的是，修改该代码很容易，因此，如果任何任务完成时抛出异常，该异常会通过返回的 future 传递给调用方来处理。清单 7 展示了这一更改。

清单 7. 具有异常的阻塞等待

def runBlocking() = {
  val result = Promise[Int]
  try {
    val v1 = Await.result(task1(1), Duration.Inf)
    val future2 = task2(v1)
    val future3 = task3(v1)
    val v2 = Await.result(future2, Duration.Inf)
    val v3 = Await.result(future3, Duration.Inf)
    val v4 = Await.result(task4(v2 + v3), Duration.Inf)
    result.success(v4)
  } catch {
    case t: Throwable => result.failure(t)
  }
  result.future
}

清单 7 非常浅显易懂，最初的代码包装在一个 try/catch 中，catch 在返回的 future 完成时传回异常。此方法稍微复杂一些，但任何 Scala 开发人员应该仍然很容易理解它。

那么，清单 4 和清单 5 中的事件处理代码的非阻塞变形是怎样的？从名称可以看出，清单 4 中使用的 onSuccess() 方法仅 适用于 future 的成功完成类型。如果想要同时处理成功和失败完成类型，则必须使用 onComplete() 方法，检查哪种完成例行适用。清单 8 展示了此技术如何用在事件处理代码中。

清单 8. 成功和失败的 onComplete() 处理

def runOnComplete() = {
  val result = Promise[Int]
  task1(1).onComplete(v => v match {
    case Success(v1) => {
      val a = task2(v1)
      val b = task3(v1)
      a.onComplete(v => v match {
        case Success(v2) =>
          b.onComplete(v => v match {
            case Success(v3) => task4(v2 + v3).onComplete(v4 => v4 match {
              case Success(x) => result.success(x)
              case Failure(t) => result.failure(t)
            })
            case Failure(t) => result.failure(t)
          })
        case Failure(t) => result.failure(t)
      })
    }
    case Failure(t) => result.failure(t)
  })
  result.future
}

清单 8 看起来很凌乱，幸运的是还有一种简单得多的替代方法：使用 清单 5 中的 flatMap() 代码代替。flatMap() 方法同时处理成功和失败完成类型，无需执行任何更改。

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使用 async

最新的 Scala 版本包含在编译期间使用宏 转换代码的能力。目前实现的一个最有用的宏是 async，它在编译期间将使用 future 的看似顺序的代码转换为异步代码。清单 9 展示了 async 如何简化本教程中使用的任务代码。

清单 9. 结合使用 future 与 async {}

def runAsync(): Future[Int] = {
  async {
    val v1 = await(task1(1))
    val a = task2(v1)
    val b = task3(v1)
    await(task4(await(a) + await(b)))
  }
}

清单 9 中封装的 async {...} 调用了 async 宏。此调用将该代码块声明为异步执行的代码，并在默认情况下异步执行它，然后返回一个 future 表示该代码块的执行结果。在该代码块中，await() 方法（实际上是该宏的一个关键字，而不是一个真正的方法）显示了何处需要一个 future 的结果。async 宏在编译期间修改了 Scala 程序的抽象语法树 (AST)，以便将该代码块转换为使用回调的代码，这大体相当于 清单 4 的代码。

除了 async {...} 包装器之外，清单 9 中的代码还与 清单 3 中最初的阻塞代码很相似。这主要是这个宏的成就，它抽象化了异步事件的所有复杂性，使它看起来像您在编写简单的线性代码。在幕后，这涉及到大量复杂性。

async 内部原理

如果查看 Scala 编译器从源代码生成的类，就会看到一些具有类似 AsyncHappy$$anonfun$1.class 的名称的内部类。从名称可以猜到，这些类由编译器为异步函数而生成（比如传递给 onSuccess() 或 flatMap() 方法的语句。）

使用 Scala 2.11.1 编译器和 Async 0.9.2 实现，您还会看到一个名为 AsyncUnhappy$stateMachine$macro$1$1.class 的类。这是 async 宏生成的实际实现代码，采用状态机的形式来处理异步任务。清单 10 给出了此类的一个部分地方进行了反编译（decompiled）的视图。

清单 10. 反编译后的 AsyncUnhappy$stateMachine$macro$1$1.class

public class AsyncUnhappy$stateMachine$macro$1$1
  implements Function1, BoxedUnit>, Function0.mcV.sp
{
  private int state;
  private final Promise