異步是一種程序設計的思想，使用異步模式設計的程序可以顯著減少線程等待，從而在高吞吐量的場景中，極大提升系統的整體性能，降低請求時延。
同步設計流程
我們假設要做一個轉賬的業務，即從賬戶A中轉賬100元到賬戶B中，它包含2步：
- 從A的賬戶中減少100元
- 給B的賬戶增加100元
我們可以設計2個Service：
- Transfer服務，負責轉賬，接口是Transfer(A, B, 100)
- Account服務，負責賬戶管理，接口是Add(A, -100)和Add(B, 100)
轉賬業務的僞代碼如下：
Transfer(accountFrom, accountTo, amount){
Add(accountFrom, -1*amount)
Add(accountTo, 1*amount)
return OK
}
假設Add操作的平均響應時延是50ms，那麼我們的Transfer操作平均實驗大約是100ms。在實際運行過程中，每處理一次Transfer操作，需要耗時100ms，並且在100ms內需要獨佔一個線程，即每個線程每秒最多可以處理10次Transfer操作。
假設我們在一個服務器上同時打開的線程數量上限是10000，那麼這個服務器每秒可以處理的請求上限是：10000*10 = 100000次。
當客戶請求數量超過上限時，請求就需要排隊，那麼Transfer操作的響應時延變成：排隊等待時延+處理時延（100ms），即在大量請求的場景中，我們的服務響應時延增加了。
但是，在這種情況下，服務器的資源並沒有被消耗很多，例如CPU、內存、網卡等資源都很空閒，我們的100000個線程大部分時間在等待Add操作返回結果。
上面就是同步設計方式，在這種情況下，整個服務器的所有線程大部分時間都沒有在工作，而是在等待。
異步設計流程
對於同樣的業務場景，我們來看一下異步方式下的僞代碼：
TransferAsync(accountFrom, accountTo, amount, OnComplete){
AddAsync(accountFrom, -1*amount, OnDebit(accountTo, 1*amount, OnAllDone(OnComplete)))
}
OnDebit(amountTo, amount, OnAllDone(OnComplete)){
AddAsync(accountTo, amount, OnAllDone(OnComplete))
}
OnAllDone(OnComplete){
OnComplete()
}
這裏TransferAsync和之前的Transfer相比，增加了一個參數，這個參數是一個回調方法OnComplete()。
上面方法的語義：請幫我執行轉賬操作，當轉賬完成後，請調用OnComplete（）方法，調用TransferAsync的線程不必等待轉賬完成就可以立即返回，當轉賬結束後，OnComplete()方法會被調用來執行後續的工作。
上面代碼中，我們定義了2個回調方法：
- OnDebit()：扣減賬戶accountFrom完成後調用的回調方法
- OnAllDone()：轉入賬戶accountTop完成後調用的回調方法
整個異步操作的語義如下：
- 異步從accountFrom的賬戶中減去相應的錢數，然後調用OnDebit方法
- 在OnDebit方法中，異步把減去的錢數加到accountTop賬戶中，然後執行OnAllDone方法
- 在OnAllDone方法中，調用OnComplete方法
採用異步方式後，整個流程的時序和同步實現是完全一樣的，區別在於線程模型由同步順序調用改爲異步調用和回調的機制。
由於流程的時序和同步方式相同，在低請求量的場景下，平均響應時延還是100ms，在超高請求量的場景下，異步機制不需要線程等待執行結果，只需要個位數的線程，即可實現同步場景大量線程一樣的吞吐量。
在異步模式下，由於沒有了線程數量上的限制，總體吞吐量上限會大大超過同步實現，並且在服務器CPU、網絡帶寬資源達到極限之前，響應時延不會隨着請求數量增加而顯著升高，幾乎可以一直保持100ms左右的響應時延。
異步框架：CompletableFuture
Java語言中常用的異步框架包括CompletableFuture和RxJava，我們主要來看CompletableFuture。
它是Java 8中新增的一個強大的異步編程的類，包括了我們在開發異步程序過程中需要的大部分功能。
針對上述的轉賬場景，我們來看一下如何使用CompletableFuture實現。
首先定義2個接口：
public interface AccountService {
CompletableFuture<Void> add(int account, int amount);
}
public interface TransferService {
CompletableFuture<Void> transfer(int fromAccount, int toAccount, int amount);
}
然後實現轉賬功能：
public class TransferServiceImpl implements TransferService {
@Inject
private AccountService accountService;
@Override
public CompletableFuture<Void> transfer(int fromAccount, int toAccount, int amount) {
return accountService.add(fromAccount, -1 * amount)
.thenCompose(v -> accountService.add(toAccount, amount));
}
}
客戶端調用TransferService時，可以使用同步方式，也可以使用異步方式：
public class Client {
@Inject
private TransferService transferService;
private final static int A = 1000;
private final static int B = 1001;
public void syncInvoke() throws ExecutionException, InterruptedException {
// 同步調用
transferService.transfer(A, B, 100).get();
System.out.println("轉賬完成！");
}
public void asyncInvoke() {
// 異步調用
transferService.transfer(A, B, 100)
.thenRun(() -> System.out.println("轉賬完成！"));
}
}
異步設計的思想：當我們要執行一項比較耗時的操作時，不去等待操作結束，而是給這個操作一個命令：“當操作完成後，接下來去執行什麼”。
使用異步編程帶來的好處是可以減少或者避免線程等待，只用很少的線程就可以達到超高的吞吐能力。
使用異步編程帶來的問題是複雜度增加，代碼可讀性和可維護性會下降。