在之前的文章中就討論過為什么在高并發的情況下，程序會崩潰。主要原因是，在高并發的情況下，有大量用戶請求需要程序計算處理，而目前的處理方式是，為每個用戶請求分配一個線程，當程序內部因為訪問數據庫等原因造成線程阻塞時，線程無法釋放去處理其他請求，這樣就會造成請求堆積，不斷消耗資源，最終導致程序崩潰。

這是傳統的 Web 應用程序運行期的線程特性。對于一個高并發的應用系統來說，總是同時有很多個用戶請求到達系統的 Web 容器。Web 容器為每個請求分配一個線程進行處理，線程在處理過程中，如果遇到訪問數據庫或者遠程服務等操作，就會進入阻塞狀態，這個時候，如果數據庫或者遠程服務響應延遲，就會出現程序內的線程無法釋放的情況，而外部的請求不斷進來，導致計算機資源被快速消耗，最終程序崩潰。

那么有沒有不阻塞線程的編程方法呢？

一、反應式編程

答案就是反應式編程。反應式編程本質上是一種異步編程方案，在多線程（協程）、異步方法調用、異步 I/O 訪問等技術基礎之上，提供了一整套與異步調用相匹配的編程模型，從而實現程序調用非阻塞、即時響應等特性，即開發出一個反應式的系統，以應對編程領域越來越高的并發處理需求。

人們還提出了一個反應式宣言，認為反應式系統應該具備如下特質：

• 即時響應，應用的調用者可以即時得到響應，無需等到整個應用程序執行完畢。也就是說應用調用是非阻塞的。
• 回彈性，當應用程序部分功能失效的時候，應用系統本身能夠進行自我修復，保證正常運行，保證響應，不會出現系統崩潰和宕機的情況。
• 彈性，系統能夠對應用負載壓力做出響應，能夠自動伸縮以適應應用負載壓力，根據壓力自動調整自身的處理能力，或者根據自身的處理能力，調整進入系統中的訪問請求數量。
• 消息驅動，功能模塊之間，服務之間，通過消息進行驅動，完成服務的流程。

目前主流的反應式編程框架有 RxJAVA、Reactor 等，它們的主要特點是基于觀察者設計模式的異步編程方案，編程模型采用函數式編程。

觀察者模式和函數式編程有自己的優勢，但是反應式編程并不是必須用觀察者模式和函數式編程。Flower 就是一個純消息驅動，完全異步，支持命令式編程的反應式編程框架。

下面我們就看看 Flower 如何實現異步無阻塞的調用，以及 Flower 這個框架設計使用了什么樣的設計原則與模式。

二、反應式編程框架Flower的基本原理

一個使用 Flower 框架開發的典型 Web 應用的線程特性如下圖所示：

當并發用戶到達應用服務器的時候，Web 容器線程不需要執行應用程序代碼，它只是將用戶的 HTTP 請求變為請求對象，將請求對象異步交給 Flower 框架的 Service 去處理，自身立刻就返回。因為容器線程不做太多的工作，所以只需極少的容器線程就可以滿足高并發的用戶請求，用戶的請求不會被阻塞，不會因為容器線程不夠而無法處理。相比傳統的阻塞式編程，Web 容器線程要完成全部的請求處理操作，直到返回響應結果才能釋放線程；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用戶請求，而且容器線程不會阻塞。

用戶請求交給基于 Flower 框架開發的業務 Service 對象以后，Service 之間依然是使用異步消息通訊的方式進行調用，不會直接進行阻塞式的調用。一個 Service 完成業務邏輯處理計算以后，會返回一個處理結果，這個結果以消息的方式異步發送給它的下一個Service。

傳統編程模型的 Service 之間如果進行調用，被調用的Service 在返回之前，調用的 Service 方法只能阻塞等待。而 Flower 的 Service 之間使用了 AKKA Actor 進行消息通信，調用者的 Service 發送調用消息后，不需要等待被調用者返回結果，就可以處理自己的下一個消息了。事實上，這些 Service 可以復用同一個線程去處理自己的消息，也就是說，只需要有限的幾個線程就可以完成大量的 Service 處理和消息傳輸，這些線程不會阻塞等待。

我們剛才提到，通常 Web 應用主要的線程阻塞，是因為數據庫的訪問導致的線程阻塞。Flower 支持異步數據庫驅動，用戶請求數據庫的時候，將請求提交給異步數據庫驅動，立刻就返回，不會阻塞當前線程，異步數據庫訪問連接遠程的數據庫，進行真正的數據庫操作，得到結果以后，將結果以異步回調的方式發送給 Flower 的 Service 進行進一步的處理，這個時候依然不會有線程被阻塞。

也就是說，使用 Flower 開發的系統，在一個典型的 Web 應用中，幾乎沒有任何地方會被阻塞，所有的線程都可以被不斷地復用，有限的線程就可以完成大量的并發用戶請求，從而大大地提高了系統的吞吐能力和響應時間，同時，由于線程不會被阻塞，應用就不會因為并發量太大或者數據庫處理緩慢而宕機，從而提高了系統的可用性。

Flower 框架實現異步無阻塞，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據庫驅動以及異步的網絡通信，主要是 HttpAsyncClient 等異步通信組件。而 Flower 框架內，核心的應用代碼之間的異步無阻塞調用，則是利用了 Akka 的 Actor 模型實現。

Akka Actor 的異步消息驅動實現如下：

一個 Actor 向另一個 Actor 進行通訊的時候，當前 Actor 就是一個消息的發送者sender，當它想要向另一個 Actor 進行通訊的時候，就需要獲得另一個 Actor 的ActorRef，也就是一個引用，通過引用進行消息通信。而 ActorRef 收到消息以后，會將這個消息放入到目標 Actor 的 Mailbox 里面去，然后就立即返回了。

也就是說一個 Actor 向另一個 Actor 發送消息的時候，不需要另一個 Actor 去真正地處理這個消息，只需要將消息發送到目標 Actor 的 Mailbox 里面就可以了。自己不會被阻塞，可以繼續執行自己的操作，而目標 Actor 檢查自己的 Mailbox 中是否有消息，如果有消息，Actor 則會在從 Mailbox 里面去獲取消息，對消息進行異步的處理，而所有的 Actor會共享線程，這些線程不會有任何的阻塞。

三、反應式編程框架Flower的設計方法

但是直接使用 Actor 進行編程有很多不便，Flower 框架對 Actor 進行了封裝，開發者只需要編寫一些細粒度的 Service，這些 Service 會被包裝在 Actor 里面，進行異步通信。Flower Service 例子如下：

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

每個 Service 都需要實現框架的 Service 接口的 process 方法，process 方法的輸入參數就是前一個 Service process 方法的返回值，這樣只需要將 Service 編排成一個流程，Service 的返回值就會變成 Actor 的一個消息，被發送給下一個 Service，從而實現Service 的異步通信。

Service 的流程編排有兩種方式，一種方式是編程實現，如下：

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

表示 ServiceA 的返回值將作為消息發送給 ServiceB，成為 ServiceB 的輸入值，這樣兩個Service 就可以合作完成一些更復雜的業務邏輯。

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，就可以開發一個異步業務處理流程。

那么這個 Flower 框架是如何實現的呢？

Flower 框架的設計也是基于依賴倒置原則。所有應用開發者實現的Service 類都需要包裝在 Actor 里面進行異步調用，但是 Actor 不會依賴開發者實現的Service 類，開發者也不會依賴 Actor 類，他們共同依賴一個 Service 接口，這個接口是框架提供的，如上面例子所示。

Actor 與 Service 的依賴倒置關系如下圖所示：

每個 Actor 都依賴一個 Service 接口，而具體的 Service 實現類，比如 MyService，則實現這個 Service 接口。在運行期實例化 Actor 的時候，這個接口被注入具體的 Service 實現類，比如 MyService。在 Flower 中，調用 MyService 對象，其實就是給包裝MyService 對象的 Actor 發消息，Actor 收到消息，執行自己的 onReceive 方法，在這個方法里，Actor 調用 MyService 的 process 方法，并將 onReceive 收到的 Message 對象當做 process 的輸入參數傳入。

process 處理完成后，返回一個 Object 對象。Actor 會根據編排好的流程，獲取MyService 在流程中的下一個 Service 對應的 Actor，即 nextServiceActor，將 process返回的 Object 對象當做消息發送給這個 nextServiceActor。這樣，Service 之間就根據編排好的流程，異步、無阻塞地調用執行起來了。

四、反應式編程框架Flower的落地效果

Flower 框架在部分項目中落地應用，應用效果較為顯著，一方面，Flower 可以顯著提高系統的性能。這是某個 C# 開發的系統使用 Flower 重構后的 TPS 性能比較，使用 Flower 開發的系統 TPS 差不多是原來 C# 系統的兩倍。

另一方面，Flower 對系統可用性也有較大提升，目前常見互聯網應用架構如下圖：

用戶請求通過網關服務器調用微服務完成處理，那么當有某個微服務連接的數據庫查詢執行較慢時，如圖中服務 1，那么按照傳統的線程阻塞模型，就會導致服務 1 的線程都被阻塞在這個慢查詢的數據庫操作上。同樣的，網關線程也會阻塞在調用這個延遲比較厲害的服務1 上。

最終的效果就是，網關所有的線程都被阻塞，即使是不調用服務 1 的用戶請求也無法處理，最后整個系統失去響應，應用宕機。使用阻塞式編程，實際的壓測效果如下，當服務 1響應延遲，出錯率大幅飆升的時候，通過網關調用正常的服務 2 的出錯率也非常高。

使用 Flower 開發的網關，實際壓測效果如下，同樣服務 1 響應延遲，出錯率極高的情況下，通過 Flower 網關調用服務 2 完全不受影響。

五、總結

事實上，Flower 不僅是一個反應式 Web 編程框架，還是反應式的微服務框架。也就是說，Flower 的 Service 可以遠程部署到一個 Service 容器里面，就像我們現在常用的微服務架構一樣。Flower 會提供一個獨立的 Flower 容器，用于啟動一些 Service，這些Service 在啟動了以后，會向注冊中心進行注冊，而且應用程序可以將這些分布式的Service 進行流程編排，得到一個分布式非阻塞的微服務系統。整體架構和主流的微服務架構很像，主要的區別就是 Flower 的服務是異步的，通過流程編排的方式進行服務調用，而不是通過接口依賴的方式進行調用。