一、并发任务执行框架
1、架构师是什么？
在一个软件项目开发过程中，将客户的需求转换为规范的开发计划及文本，
并制定这个项目的总体架构，指导整个开发团队完成这个计划的那个人，就是 架
构师。一般是一个项目里的最资深的专业技术人员，可以说架构师首先一定是个
Java 高级开发人员。
主要职责
主要是架构设计、软件开发，具体来说包括
1）确认需求
在项目开发过程中，架构师是在需求规格说明书完成后介入的，需求规格说
明书必须得到架构师的认可。架构师需要和分析人员反复交流，以保证自己完整
并准确地理解用户需求。
2）系统分解
依据用户需求，整个系统是否需要分层，如何进行分层,架构师将系统整体
分解为更小的子系统和组件，从而形成不同的逻辑层或服务。随后，架构师会确
定各层的接口，层与层相互之间的关系。架构师不仅要对整个系统分层，进行“纵
向”分解，还要对同一逻辑层分块，进行“横向”分解。
软件架构师的功力基本体现于此，这是一项相对复杂的工作。
3）技术选型
架构师通过对系统的一系列的分解，最终形成了软件的整体架构。技术选择
主要取决于软件架构，就是不断找到系统的瓶颈和弱点，采用分而治之、缓存、
异步、集群等手段逐渐化解，并平衡处理系统各项要求（性能、安全、可用性、
伸缩性、扩展性…）的过程。由此形成了架构。
什么样的架构才是好的架构？
答案：是适用于当前业务和团队成员，并保留适当前瞻性(最多半年的业务
增长)的就是好架构。
Web Server 运行在 Windows 上还是 Linux 上？数据库采用 MSSql、Oracle 还
是 Mysql？需要不需要采用 MVC 或者 Spring 等轻量级的框架？前端采用富客户
端还是瘦客户端方式？类似的工作，都需要在这个阶段提出，并进行评估。
架构师对产品和技术的选型仅仅限于评估，没有决定权，最终的决定权归项
目经理。架构师提出的技术方案为项目经理提供了重要的参考信息，项目经理会
从项目预算、人力资源、时间进度等实际情况进行权衡，最终进行确认。
4）制定技术规格说明
架构师在项目开发过程中，是技术权威。他需要协调所有的开发人员，与开
发人员一直保持沟通，始终保证开发者依照它的架构意图去实现各项功能。
5）核心、关键或者难点任务的开发
6）开发管理
通常还需要承担一些管理职能:规划产品路线、估算人力资源和时间资源、
安排人员职责分工,确定计划里程碑点、指导工程师工作、过程风险评估与控制
等。这些管理事务需要对产品技术架构、功能模块划分、技术风险都熟悉的架构
师参与或直接负责。
7）沟通协调
项目目组内外各种角色沟通协调,可以说架构师相当多的时间用在和人打交
道上。处理好人的关系对架构和项目的成功至关重要。
架构师的方方面面
作用
负责系统架构设计,同时也要负责架构的实施落地、演化发展、推广重构。
充当救火队员的角色,系统出现故障或者“灵异现象”,会请他们出马解决。
架构师对某一领域有较深刻的认识,有时候甚至是坚定的技术信仰,乐于同他
人分享自己的知识,希望能够推广自己的技术主张。
效果
不管项目有多么艰难复杂,只要有优秀的架构师,大家就会坚信,项目一定能
顺利完成。优秀的架构师带给项目组的,不只是技术和方法,更重要的是必胜的信
念。这种信念是架构师自己积累起来的气场和影响力。
架构师通常会开发项目中最具技木难度和挑战性的模块,从而为整个项目的
顺利进行铺平道路。这些模块包括基础框架、公共组件、通用服务等平台类产品。
在大型互联网应用中,基础服务承担着海量的数据存储和核心业务处理服务,有许
多挑战性的工作。所以我们的实战就是实现一个基础框架和对一个项目进行性能
优化。
实现一个基础框架
需求的产生和分析
公司里有两个项目组，考试组有批量的离线文档要生成，题库组则经常有批
量的题目进行排重和根据条件批量修改题目的内容。
架构组通过对实际的上线产品进行用户调查，发现这些功能在实际使用时，
用户都反应速度很慢，而且提交任务后，不知道任务的进行情况，做没做？做到
哪一步了？有哪些成功？哪些失败了？都一概不知道。
架构组和实际的开发人员沟通，他们都说，因为前端提交任务到 Web 后台
以后，是一次要处理多个文档和题目，所以速度快不起来。提示用多线程进行改
进，实际的开发人员表示多线程没有用过，不知道如何使用，也担心用不好。综
合以上情况，架构组决定在公司的基础构件库中提供一个并发任务执行框架，以
解决上述用户和业务开发人员的痛点：
1、对批量型任务提供统一的开发接口
2、在使用上尽可能的对业务开发人员友好
3、要求可以查询批量任务的执行进度
需要做什么
要实现这么一个批量任务并发执行的框架，我们来分析一下我们要做些什
么？
1、批量任务，为提高性能，
必然的我们要使用 java 里的多线程，为了在使用上尽可能的对业务开发人
员友好和简单，需要屏蔽一些底层 java 并发编程中的细节，让他们不需要去了
解并发容器，阻塞队列，异步任务，线程安全等等方面的知识，只要专心于自己
的业务处理即可。
4、 每个批量任务拥有自己的上下文环境，
因为一个项目组里同时要处理的批量任务可能有多个，比如考试组，可能就
会有不同的学校的批量的离线文档生成，而题库组则会不同的学科都会有老师同
时进行工作，因此需要一个并发安全的容器保存每个任务的属性信息，
3、自动清除已完成和过期任务
因为要提供进度查询，系统需要在内存中维护每个任务的进度信息以供查询，
但是这种查询又是有时间限制的，一个任务完成一段时间后，就不再提供进度查
询了，则就需要我们自动清除已完成和过期任务，用定时轮询吗？
具体实现
可查询进度的并发任务执行框架
1、用户业务方法的结果？
一个方法执行的结果有几种可能？三种，成功：按预想的流程出了结果；失
败：按按预想的流程没出结果；异常：没按预想的流程抛出了预料之外的错误。
因此我们定义了一个枚举，表示这三种情况，
对于方法的业务执行结果，返回值有很多种可能，基本类型，系统定义的对
象类型，用户自定义的对象类型都是存在的，我们需要用泛型来说表示这个结果。
同时方法执行失败了，我们还需要告诉用户或者业务开发人员，失败的原因，我
们再定义了一个任务的结果类。
2、如何执行用户的业务方法？
我们是个框架，用户的业务各种各样，都要放到我们框架里执行，怎么办？
当然是定义个接口，我们的框架就只执行这个方法，而使用我们框架的业务方都
应该来实现这个接口，当然因为用户业务的数据多样性，意味着我们这个方法的
参数也应该用泛型。
3、用户如何提交他的工作和查询任务进度？
用户在前端提交了工作（JOB）到后台，我们需要提供一种封装机制，让业
务开发人员可以将任务的相关信息提交给这个封装机制，用户的需要查询进度的
时候，也从这个封装机制中取得，同时我们的封装机制内部也要负责清除已完成
任务。
在这个封装机制里我们定义了一个类 JobInfo，抽象了对用户工作的封装，
一个工作可以包含多个子任务（TASK），这个 JobInfo 中就包括了这个工作的相
关信息，比如工作名，用以区分框架中唯一的工作，也可以避免重复提交，也方
便查询时快速定位工作，除了工作名以外，工作中任务的列表，工作中任务的处
理器都在其中定义。
同时 JobInfo 还有相当多的关于这个工作的方法，比如查询工作进度，查询
每个任务的处理结果，记录每个任务的处理结果等等
负责清除已完成任务，我们则交给 CheckJobProcesser 类来完成，定时轮询的
机制不够优雅，因此我们选用了 DelayQueue 来实现这个功能
并且在其中定义了清除已完成任务的 Runnable 和相关的工作线程。
4、框架的主体类
主体类则是 PendingJobPool，这也是业务开发人员主要使用的类。这个类主
要负责调度，例如工作（JOB）和任务（TASK）的提交，任务（TASK）的保存，
任务（TASK）的并发执行，工作进度的查询接口和任务执行情况的查询等等。
流程图
测试
参见代码包 cn.enjoyedu.ch8a.demo 下，以及和 spring 的集成，在模块
TaskFramework 中。
当然和 spring 集成的话，某些单例化的部分就不需要了。 性能优化实战
具体优化过程，参见代码包 cn.enjoyedu.ch8b 下和视频
项目背景和问题
这个项目来自为电信教育系统设计开发的一套自适应的考试学习系统，面向
的用户主要是职业学院的的老师和学生以及短时间脱产学习的在职人员。什么叫
自适应呢？就是当时提出一种教育理念，对学员的学习要求经常考试进行检查，
学员的成绩出来以后，老师会要求系统根据每个学员的考卷上错误的题目从容量
为 10 万左右的题库中抽取题目，为每个学员生成一套各自个性化的考后复习和
练习的离线练习册。所以，每次考完试，特别是比较大型的考试后，要求生成的
离线文档数量是比较多的，一个考试 2000 多人，就要求生成 2000 多份文档。当
时我们在做这个项目的时候，因为时间紧，人员少，很快做出第一版就上线运营
了。
当然，大家可以想到，问题是很多的，但是反应最大，用户最不满意的就是
这个离线文档生成的功能，用户最不满意的点：离线文档生成的速度非常慢，慢
到什么程度呢？一份离线文档的生成平均时长在 50~55 秒左右，遇到成绩不好的
学生，文档内容多的，生成甚至需要 3 分钟，大家可以算一下，2000 人，平均
55 秒，全部生成完，需要 200055=110000 秒，大约是 30 个小时。
为什么如此之慢？这跟离线文档的生成机制密切相关，对于每一个题目要从
保存题库的数据库中找到需要的题目，单个题目的表现形式如图，数据库中存储
则采用类 html 形式保存，对于每个题目而言，解析题目文本，找到需要下载的
图片，每道题目都含有大量或大型的图片需要下载，等到文档中所有题目图片下
载到本地完成后，整个文档才能继续进行处理。 分析和改进
第一版的实现，服务器在接收到老师的请求后，就会把批量生成请求分解为
一个个单独的任务，然后串行的完成。
于是在第二版的实现上，首先我们做了个服务拆分，将生成离线文档的功能
拆了出来成为了单独的服务，对外提供 RPC 接口，在 WEB 服务器接收到了老师
们提出的批量生成离线文档的要求以后，将请求拆分后再一一调用离线文档生成
RPC 服务，这个 RPC 服务在实现的时候有一个缓冲的机制，会将收到的请求进行
缓存，然后迅速返回一个结果给调用者，告诉调用者已经收到了请求，这样 WEB
服务器也可以很快的对用户的请求进行应答。
所以我们有了第一次改进，参见 cn.enjoyedu.ch8b. RpcServiceWebV1
我们看这个离线文档，每份文档的生成独立性是很高的，天生就适用于多
线程并发进行。所以在 RPC 服务实现的时候，使用了生产者消费者模式，RPC 接
口的实现收到了一个调用方的请求时，会把请求打包放入一个容器，然后会有多
个线程进行消费处理，也就是生成每个具体文档。
当文档生成后，再使用一次生产者消费者模式，投入另一个阻塞队列，由另
外的一组线程负责进行上传。当上传成功完成后，由上传线程返回文档的下载地
址，表示当前文档已经成功完成。
文档具体的下载地址则由 WEB 服务器单独去数据库或者缓存中去查询。
对于每个离线文档生成本身，我们来看看它的业务，
1、从容量为 10 万左右的题库中为每个学生抽取适合他的题目，
2、每道题目都含有大量的图片需要下载到本地，和文字部分一起渲染。
但是我们仔细考察整个系统的业务就会发现，我们是在一次考试后为学员生
成自适应的练习册，换句话说，不管考试考察的内容如何，学生的成绩如何，每
次考试的知识点是有限的，而从这些知识点中可以抽取的相关联的题目数也总是
有限的，不同的学生之间所需要的题目会有很大的重复性。
举个例子我们为甲学生因为他考卷上的错误部分抽取了 80 个题目，有很大
的概率其他学生跟甲学生错误的地方会有重复，相对应的题目也会有重复。对于
这部分题目，我们是完全没有必要重复处理的，包括从数据库中重新获取题目、
解析和下载图片。这也是我们可供优化的一大突破点。
其次，一篇练习册是由很多的题目组成的，每个题目相互之间是独立的，我
们也可以完全并行的、异步的处理每个题目。
具体怎么做？要避免重复工作肯定是使用缓存机制，对已处理过的题目进行
缓存。我们看看怎么使用缓存机制进行优化。这个业务，毋庸置疑，map 肯定是
最适合的，因为我们要根据题目的 id 来找题目的详情，用哪个 map？我们现在
是在多线程下使用，考虑的是并发安全的 concurrentHashMap。
当我们的服务接收到处理一个题目的请求，首先会在缓存中 get 一次，没有
找到，可以认为这是个新题目，准备向数据库请求题目数据并进行题目的解析，
图片的下载。
这里有一个并发安全的点需要注意，因为是多线程的应用，会发生多个线程
在处理多个文档时有同时进行处理相同题目的情况，这种情况下不做控制，一是
会造成数据冲突和混乱，比如同时读写同一个磁盘文件，二是会造成计算资源的
浪费，同时为了防止文档的生成阻塞在当前题目上，因此每个新题目的处理过程
会包装成一个 Callable 投入一个线程池中 而把处理结果作为一个 Future 返回，
等到线程在实际生成文档时再从 Future 中 get 出结果进行处理。因此在每个新题
目实际处理前，还会检查当前是否有这个题目的处理任务正在进行。
如果题目在缓存中被找到，并不是直接引用就可以了，因为题库中的题目因
为种种关系存在被修改的可能，比如存在错误，比如可能内容被替换，这个时候
缓存中数据其实是失效过期的，所以需要先行检查一次。如何检查？
我们前面说过题库中的题目平均长度在 800 个字节左右，直接 equals 来检
查题目正文是否变动过，明显效率比较低，所以我们这里又做了一番处理，什么
处理？对题目正文事先做了一次 SHA 的摘要并保存在数据库，并且要求题库开
发小组在处理题目数据入库的时候进行 SHA 摘要。
在本机缓存中同样保存了这个摘要信息，在比较题目是否变动过时，首先检
查摘要是否一致，摘要一致说明题目不需要更新，摘要不一致时，才需要更新题
目文本，将这个题目视为新题目，进入新题目的处理流程，这样的话就减少了数
据的传输量，也降低了数据库的压力。
题目处理的流程就变为：
所以我们有了第二次改进，
1、在题目实体类 QuestionInDBVo 中增加一个
2、增加一个题目保存在缓存中的实体类 QuestionInCacheVo
3、增加一个并发处理时返回的题目结果实体类 TaskResultVo
按照我们前面的描述，我们可以得知，题目要么已经处理完成，要么正在处
理，所以在获取题目结果时，先从 questionDetail 获取一次，获取为 null，则从
questionFuture 获取。那么这个类的构造方法需要单独处理一下。
4、在处理文档的服务的类 ProduceDocService 中增加一个处理文档的新方法
makeDocAsyn
在这个方法中，会调用一个并发处理题目的方法。
5、增加一个优化题目处理的类 ParallelQstService，其中提供了并发处理题目
的方法，还包括了
主程序参见 cn.enjoyedu.ch8b. RpcServiceWebV2
继续改进
数据结构的改进
但是我们仔细分析就会发现，作为一个长期运行的服务，如果我们使用
concurrentHashMap，意味着随着时间的推进，缓存对内存的占用会不断的增长。
最极端的情况，十万个题目全部被加载到内存，这种情况下会占据多少内存呢？
我们做了统计，题库中题目的平均长度在 800 个字节左右，十万个题目大约会使
用 75M 左右的空间。
看起来还好，但是有几点，第一，我们除了题目本身还会有其他的一些附属
信息需要缓存，比如题目图片在本地磁盘的存储位置等等，那就说，实际缓存的
数据内容会远远超过 800 个字节，
第二，map 类型的的内存使用效率是比较低的，以 hashmap 为例，内存利
用率一般只有 20%到 40%左右，而 concurrentHashMap 只会更低，有时候只有
hashmap的十分之一到4分之一，这也就是说十万个题目放在concurrentHashMap
中会实际占据几百兆的内存空间，是很容易造成内存溢出的，也就是大家常见的
OOM。
考虑到这种情况，我们需要一种数据结构有 map 的方便但同时可以限制内
存的占用大小或者可以根据需要按照某种策略刷新缓存。最后，在实际的工作中，
我们选择了 ConcurrentLinkedHashMap，这是由 Google 开源一个线程安全的
hashmap，它本身是对 ConcurrentHashMap 的封装，可以限定最大容量，并实现
一个了基于 LRU 也就是最近最少使用算法策略的进行更新的缓存。很完美的契合
了我们的要求，对于已经缓冲的题目，越少使用的就可以认为这个题目离当前考
试考察的章节越远，被再次选中的概率就越小，在容量已满，需要腾出空间给新
缓冲的题目时，越少使用就会优先被清除。
线程数的设置
原来我们设置的线程数按照我们通用的 IO 密集型任务，两个线程池设置的
都是机器的 CPU 核心数2，但是这个就是最佳的吗？不一定，通过反复试验我
们发现，处理文档的线程池线程数设置为 CPU 核心数4，继续提高线程数并不
能带来性能上的提升。而因为我们改进后处理文档的时间和上传文档的时间基本
在 1：4 到 1：3 的样子，所以处理文档的线程池线程数设置为 CPU 核心数4*3。
这时我们有了第三次改进，参见 cn.enjoyedu.ch8b. RpcServiceWebV3
缓存的改进
在这里我们除了本地内存缓存还使用了本地文件存储，启用了一个二级缓存
机制。为什么要使用本地文件存储？因为考虑到服务器会升级、会宕机，已经在
内存中缓存的数据会丢失，为了避免这一点，我们将相关的数据在本地进行了一
个持久化的操作，保存在了本地磁盘。 改进后的效果
1、原单 WEB 串行处理，3 个文档耗时
平均一个文档耗时 51 秒。
2、服务化，文档生成并行化后，60 个文档耗时
平均一个文档耗时 3.5 秒，已经比单 WEB 串行版的实现有了数量级上的提
高。
3、引入缓存避免重复工作、题目处理并行和异步化后，60 个文档耗时
平均一个文档耗时 0.65 秒，再次有了数量级上的提高。
4、调整线程数后，60 个文档耗时
平均一个文档耗时 0.23 秒，再次提升了 3 倍的速度,而相对我们第一版的
性能而言，平均一个文档处理性能提升了 51/0.23=221 倍。
这就是善用并发编程后威力！
用户体验的改进
还可以和我们前面实战的并发任务执行框架中的思想相结合，在前端显示处
理进度，給用户带来更好的使用体验。 启示
这次项目的优化给我们带来了什么样的启示呢？
性能优化一定要建立在对业务的深入分析上，比如我们在性能优化的切入点，
在缓存数据结构的选择就建立在对业务的深入理解上；
性能优化要善于利用语言的高并发特性，
性能优化多多利用缓存，异步任务等机制，正是因为我们使用这些特性和机
制，才让我们的应用在性能上有个了质的飞跃；
5、 引入各种机制的同时要注意避免带来新的不安全因素和瓶颈，比如说缓存数
据过期的问题，并发时的线程安全问题，都是需要我们去克服和解决的。