Project Reactor 深度解析 - 1. 响应式编程介绍，实现以及现有问题

r囧r小猫 2023-03-02 14:49 77阅读 0赞

现在， Java 的各种基于 Reactor 模型的响应式编程库或者框架越来越多了，像是 RxJava，Project Reactor，Vert.x 等等等等。在 Java 9， Java 也引入了自己的 响应式编程的一种标准接口，即`java.util.concurrent.Flow`这个类。这个类里面规定了 Java 响应式编程所要实现的接口与抽象。我们这个系列要讨论的就是`Project Reactor`这个实现。

这里也提一下，为了能对于没有升级到 Java 9 的用户也能兼容，`java.util.concurrent.Flow`这个类也被放入了一个 jar 供 Java 9 之前的版本，依赖是：

<dependency>
      <groupId>org.reactivestreams</groupId>
      <artifactId>reactive-streams</artifactId>
      <version>1.0.3</version>
    </dependency>

本系列所讲述的 Project Reactor 就是 reactive-streams 的一种实现。  
首先，我们先来了解下，什么是响应式编程，Java 如何实现

## 什么是响应式编程，Java 如何实现 ##

我们这里用通过唯一 id 获取知乎的某个回答作为例子，首先我们先明确下，一次HTTP请求到服务器上处理完之后，将响应写回这次请求的连接，就是完成这次请求了，如下：

public void request(Connection connection, HttpRequest request) {
        //处理request,省略代码
        connection.write(response);//完成响应
    }

假设获取回答需要调用两个接口，获取评论数量还有获取回答信息，传统的代码可能会这么去写：

//获取评论数量
    public void getCommentCount(Connection connection, HttpRequest request) {
        Integer commentCount = null;
        try {
            //从缓存获取评论数量，阻塞IO
            commentCount = getCommnetCountFromCache(id);
        } catch(Exception e) {
            try {
                //缓存获取失败就从数据库中获取，阻塞IO
                commentCount = getVoteCountFromDB(id);
            } catch(Exception ex) {
        
            }
        }
        connection.write(commentCount);
    }
    
    //获取回答
    public void getAnswer(Connection connection, HttpRequest request) {
        //获取点赞数量
        Integer voteCount = null;
        try {
            //从缓存获取点赞数量，阻塞IO
            voteCount = getVoteCountFromCache(id);
        } catch(Exception e) {
            try {
                //缓存获取失败就从数据库中获取，阻塞IO
                voteCount = getVoteCountFromDB(id);
            } catch(Exception ex) {
        
            }
        }
        //从数据库获取回答信息，阻塞IO
        Answer answer = getAnswerFromDB(id);
        //拼装Response
        ResultVO response = new ResultVO();
        if (voteCount != null) {
            response.setVoteCount(voteCount);
        }
        if (answer != null) {
            response.setAnswer(answer);
        }
        connection.write(response);//完成响应
    }

在这种实现下，你的进程只需要一个线程池，承载了所有请求。这种实现下，有两个弊端：

1.  线程池 IO 阻塞，导致某个存储变慢或者缓存击穿的话，所有服务都堵住了。假设现在评论缓存突然挂了，全都访问数据库，导致请求变慢。由于线程需要等待 IO 响应，导致唯一一个线程池被堆满，无法处理获取回答的请求。
2.  对于获取回答信息，获取点赞数量其实和获取回答信息是可以并发进行的。不用非得先获取点赞数量之后再获取回答信息。

现在，NIO 非阻塞 IO 很普及了，有了非阻塞 IO，我们可以通过响应式编程，来让我们的线程不会阻塞，而是一直在处理请求。这是如何实现的呢？

传统的 BIO，是线程将数据写入 Connection 之后，当前线程进入 Block 状态，直到响应返回，之后接着做响应返回后的动作。NIO 则是线程将数据写入 Connection 之后，将**响应返回后需要做的事情以及参数缓存到一个地方**之后，直接返回。在有响应返回后，NIO 的 Selector 的 Read 事件会是 Ready 状态，扫描 Selector 事件的线程，会告诉你的线程池数据好了，然后线程池中的某个线程，拿出**刚刚缓存的要做的事情还有参数**，继续处理。

那么，怎样实现缓存响应返回后需要做的事情以及参数的呢？Java 本身提供了两种接口，一个是基于回调的 Callback 接口（Java 8 引入的各种Functional Interface），一种是 Future 框架。

基于 Callback 的实现：

//获取回答
    public void getAnswer(Connection connection, HttpRequest request) {
        ResultVO resultVO = new ResultVO();
        getVoteCountFromCache(id, (count, throwable) -> {
            //异常不为null则为获取失败
            if (throwable != null) {
                //读取缓存失败就从数据库获取
                getVoteCountFromDB(id, (count2, throwable2) -> {
                    if (throwable2 == null) {
                        resultVO.setVoteCount(voteCount);
                    }
                    //从数据库读取回答信息
                    getAnswerFromDB(id, (answer, throwable3) -> {
                        if (throwable3 == null) {
                            resultVO.setAnswer(answer);
                            connection.write(resultVO);
                        } else {
                            connection.write(throwable3);
                        }
                    });
                });
            } else {
                //获取成功，设置voteCount
                resultVO.setVoteCount(voteCount);
                //从数据库读取回答信息
                getAnswerFromDB(id, (answer, throwable2) -> {
                    if (throwable2 == null) {
                        resultVO.setAnswer(answer);
                        //返回响应
                        connection.write(resultVO);
                    } else {
                        //返回错误响应
                        connection.write(throwable2);
                    }
                });
            }
        });
    }

可以看出，随着调用层级的加深，callback 层级越来越深，越来越难写，而且啰嗦的代码很多。并且，基于 CallBack 想实现获取点赞数量其实和获取回答信息并发是很难写的，这里还是先获取点赞数量之后再获取回答信息。

那么基于 Future 呢？我们用 Java 8 之后引入的 `CompletableFuture` 来试着实现下。

//获取回答
    public void getAnswer(Connection connection, HttpRequest request) {
        ResultVO resultVO = new ResultVO();
            //所有的异步任务都执行完之后要做的事情
            CompletableFuture.allOf(
                    getVoteCountFromCache(id)
                            //发生异常，从数据库读取
                            .exceptionallyComposeAsync(throwable -> getVoteCountFromDB(id))
                            //读取完之后，设置VoteCount
                            .thenAccept(voteCount -> {
                        resultVO.setVoteCount(voteCount);
                    }),
                    getAnswerFromDB(id).thenAccept(answer -> {
                        resultVO.setAnswer(answer);
                    })
            ).exceptionallyAsync(throwable -> {
                connection.write(throwable);
            }).thenRun(() -> {
                connection.write(resultVO);
            });
    }

这种实现就看上去简单多了，并且读取点赞数量还有读取回答内容是同时进行的。  
Project Reactor 在 Completableuture 这种实现的基础上，**增加了更多的组合方式以及更完善的异常处理机制，以及面对背压时候的处理机制，还有重试机制**。

## 响应式编程里面遇到的问题 - 背压 ##

由于响应式编程，不阻塞，所以把之前因为基本不会发生而忽视的一个问题带了上来，就是背压（Back Pressure）。

背压是指，当上游请求过多，下游服务来不及响应，导致 Buffer 溢出的这样一个问题。在响应式编程，由于线程不阻塞，遇到 IO 就会把当前参数和要做的事情缓存起来，这样无疑增大了很多吞吐量，同时内存占用也大了起来，如果不限制的话，很可能 OutOfMemory，这就是背压问题。

在这个问题上，Project Reactor 基于的模型，是有处理方式的，Completableuture 这个体系里面没有。

## 为何现在响应式编程在业务开发微服务开发不普及 ##

**主要因为数据库 IO，不是 NIO。**

不论是Java自带的Future框架，还是 Spring WebFlux，还是 Vert.x，他们都是一种非阻塞的基于Ractor模型的框架（后两个框架都是利用netty实现）。

在阻塞编程模式里，任何一个请求，都需要一个线程去处理，如果io阻塞了，那么这个线程也会阻塞在那。但是在非阻塞编程里面，基于响应式的编程，线程不会被阻塞，还可以处理其他请求。举一个简单例子：假设只有一个线程池，请求来的时候，线程池处理，需要读取数据库 IO，这个 IO 是 NIO 非阻塞 IO，那么就将请求数据写入数据库连接，直接返回。之后数据库返回数据，这个链接的 Selector 会有 Read 事件准备就绪，这时候，再通过这个线程池去读取数据处理（相当于回调），这时候用的线程和之前不一定是同一个线程。这样的话，线程就不用等待数据库返回，而是直接处理其他请求。这样情况下，即使某个业务 SQL 的执行时间长，也不会影响其他业务的执行。

但是，这一切的基础，是 IO 必须是非阻塞 IO，也就是 NIO（或者 AIO）。**官方JDBC没有 NIO，只有 BIO 实现**。这样无法让线程将请求写入链接之后直接返回，必须等待响应。但是也就解决方案，就是通过其他线程池，专门处理数据库请求并等待返回进行回调，也就是业务线程池 A 将数据库 BIO 请求交给线程池B处理，读取完数据之后，再交给 A 执行剩下的业务逻辑。这样A也不用阻塞，可以处理其他请求。但是，这样还是有因为某个业务 SQL 的执行时间长，导致B所有线程被阻塞住队列也满了从而A的请求也被阻塞的情况，这是不完美的实现。真正完美的，需要 JDBC 实现 NIO。

Java 自带的 Future框架可以这么用JDBC：

@GetMapping
    public DeferredResult<Result> get() {
    DeferredResult<Result> deferredResult = new DeferredResult<>();
    CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                return 阻塞数据库IO;
            //dbThreadPool用来处理阻塞的数据库IO
            }, dbThreadPool).thenComposeAsync(result -> {
        //spring 的 DeferredResult 来实现异步回调写入结果返回
        deferredResult.setResult(result);
    });
    return deferredResult;
    }

WebFlux 也可以使用阻塞JDBC，但是同理：

@GetMapping
    public Mono<Result> get() {
    return Mono.fromFuture(CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                return 阻塞数据库IO;
            //dbThreadPool用来处理阻塞的数据库IO
            }, dbThreadPool));
    }

Vert.x 也可以使用阻塞的JDBC，也是同理：

@GetMapping
    public  DeferredResult<Result> get() {
    DeferredResult<Result> deferredResult = new DeferredResult<>();
    getResultFromDB().setHandler(asyncResult -> {
                if (asyncResult.succeeded()) {
                    deferredResult.setResult(asyncResult.result());
                } else {
                    deferredResult.setErrorResult(asyncResult.cause());
                }
            });
    return deferredResult;
    }
    
    private WorkerExecutor dbThreadPool = vertx.createSharedWorkerExecutor("DB", 16);
    
    private Future<Result> getResultFromDB() {
        Future<Result> result = Future.future();
        dbThreadPool.executeBlocking(future -> {
                return 阻塞数据库IO;
            }, false, asyncResult -> {
                if (asyncResult.succeeded()) {
                    result.complete(asyncResult.result());
                } else {
                    result.fail(asyncResult.cause());
                }
            });
        return result;
    }

相当于通过另外的线程池（当然也可以通过原有线程池，反正就是要用和请求不一样的线程，才能实现回调，而不是当次就阻塞等待），封装了阻塞 JDBC IO。

但是，这样几乎对数据库IO主导的应用性能没有提升，还增加了线程切换，得不偿失。所以，需要使用真正实现了 NIO 的数据库客户端。目前有这些 NIO 的 JDBC 客户端，但是都不普及：

1.  Vert.x 客户端：https://vertx.io/docs/vertx-jdbc-client/java/
2.  r2jdbc 客户端：http://r2dbc.io/
3.  Jasync-sql 客户端：https://github.com/jasync-sql/jasync-sql