JAVA Reactor 异步链执行阻塞？检查阻塞 API 与 publishOn 使用方式

大家好，今天我们来深入探讨一个在使用 Reactor 进行响应式编程时经常遇到的问题：异步链执行阻塞。Reactor 作为一款强大的响应式编程框架，旨在帮助我们构建高吞吐量、低延迟的应用程序。然而，不正确的使用方式，特别是涉及阻塞 API 或不恰当的 publishOn 使用，会导致我们期望的异步特性大打折扣，甚至出现阻塞现象。

阻塞的根源：阻塞 API 与 Reactor 的冲突

Reactor 本质上是一个基于事件循环的非阻塞框架。它通过订阅发布模式，将数据流分解成一系列操作，并利用非阻塞 I/O 和线程池来并发执行这些操作。然而，当我们引入阻塞 API 时，这种非阻塞的特性就会被破坏。

什么是阻塞 API？

阻塞 API 指的是那些在执行完成之前会一直占用线程的 API。例如，传统的同步 I/O 操作（如 FileInputStream.read()）、数据库连接的 getConnection() 方法、以及一些 CPU 密集型的计算任务。

阻塞 API 如何影响 Reactor？

当 Reactor 链中的某个环节调用了阻塞 API 时，执行该环节的线程会被阻塞，直到阻塞 API 返回结果。如果该线程是 Reactor 的工作线程（通常由 publishOn 指定），那么整个 Reactor 链的执行效率就会受到影响。更糟糕的是，如果 Reactor 的所有工作线程都被阻塞 API 占用，那么整个应用就会陷入瘫痪。

示例：一个简单的阻塞场景

import reactor.core.publisher.Flux;
import reactor.core.scheduler.Schedulers;

import java.io.IOException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;
import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;

public class BlockingExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Path filePath = Paths.get("src/main/resources/large_file.txt"); // 假设存在一个大的文本文件

        Flux<String> lines = Flux.defer(() -> { // 使用 defer 延迟执行，避免在订阅之前就读取文件
            try {
                List<String> allLines = Files.readAllLines(filePath); // 阻塞 API
                return Flux.fromIterable(allLines);
            } catch (IOException e) {
                return Flux.error(e);
            }
        });

        lines
            .publishOn(Schedulers.boundedElastic()) // 将读取操作放到弹性线程池
            .map(line -> line.toUpperCase()) // 对每一行进行转换
            .subscribe(
                System.out::println,
                Throwable::printStackTrace,
                () -> System.out.println("Completed")
            );

        Thread.sleep(2000); // 模拟程序的运行时间，确保订阅完成
    }
}

在这个例子中，Files.readAllLines() 是一个阻塞 API，它会读取整个文件到内存中。即使我们使用了 publishOn(Schedulers.boundedElastic()) 将读取操作放到弹性线程池中执行，但如果文件过大，读取操作仍然会阻塞线程池中的线程，影响其他任务的执行。

如何避免阻塞？

避免阻塞的关键在于避免在 Reactor 链中使用阻塞 API，或者将阻塞 API 的调用放到专门的线程池中执行，并使用非阻塞的方式来获取结果。

寻找非阻塞替代方案： 对于一些阻塞 API，可能存在非阻塞的替代方案。例如，使用 java.nio 包中的 AsynchronousFileChannel 来进行异步文件 I/O。
使用 Schedulers.boundedElastic()： 将阻塞 API 的调用放到 Schedulers.boundedElastic() 创建的弹性线程池中执行。boundedElastic() 线程池可以根据需要动态创建线程，避免阻塞 Reactor 的工作线程。但是需要注意控制线程池的大小，避免资源耗尽。
使用 Mono.fromCallable() 或 Flux.fromCallable()： 将阻塞 API 的调用封装到 Mono.fromCallable() 或 Flux.fromCallable() 中，并结合 publishOn() 来切换线程。
响应式数据库驱动： 使用支持响应式编程的数据库驱动，例如 R2DBC，它可以提供非阻塞的数据库访问方式。

`publishOn` 的正确使用方式：控制线程切换与并发

publishOn 操作符用于指定下游操作符在哪个调度器（Scheduler）上执行。正确使用 publishOn 可以控制线程切换，实现并发执行，提高程序的性能。然而，不正确的使用方式会导致线程切换过于频繁，反而降低性能，甚至引入死锁等问题。

publishOn 的作用：

publishOn 操作符会改变下游操作符的执行线程。这意味着，publishOn 之后的操作符会在指定的调度器上执行，而不是在之前的调度器上执行。

publishOn 的使用场景：

将计算密集型任务放到专用线程池： 对于 CPU 密集型的计算任务，可以使用 publishOn(Schedulers.parallel()) 将任务放到并行线程池中执行，充分利用多核 CPU 的优势。
将 I/O 密集型任务放到弹性线程池： 对于 I/O 密集型的任务，可以使用 publishOn(Schedulers.boundedElastic()) 将任务放到弹性线程池中执行，避免阻塞 Reactor 的工作线程。
切换到 UI 线程： 在 GUI 应用程序中，需要将 UI 更新操作放到 UI 线程中执行。可以使用 publishOn(Schedulers.fromExecutor(Platform::runLater)) 将操作切换到 UI 线程。

publishOn 的常见错误用法：

过度使用 publishOn： 频繁地使用 publishOn 会导致线程切换过于频繁，增加上下文切换的开销，反而降低程序的性能。应该尽量减少 publishOn 的使用次数，只在必要的时候进行线程切换。
在不必要的地方使用 publishOn： 如果在 Reactor 链中的某个环节不需要进行线程切换，就不应该使用 publishOn。例如，对于一些简单的转换操作，可以直接在 Reactor 的工作线程中执行。
忘记使用 publishOn： 如果在 Reactor 链中存在阻塞 API 的调用，但是忘记使用 publishOn 将其放到专门的线程池中执行，会导致 Reactor 的工作线程被阻塞。

示例：publishOn 的正确使用

import reactor.core.publisher.Flux;
import reactor.core.scheduler.Schedulers;

import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;

public class PublishOnExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Flux.range(1, 10)
            .log("Source") // 记录数据流的日志
            .map(i -> {
                System.out.println("Map 1 - Thread: " + Thread.currentThread().getName());
                return i * 2;
            })
            .publishOn(Schedulers.parallel()) // 将后续操作放到并行线程池
            .map(i -> {
                System.out.println("Map 2 - Thread: " + Thread.currentThread().getName());
                // 模拟 CPU 密集型操作
                try {
                    Thread.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(100));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return "Value: " + i;
            })
            .publishOn(Schedulers.boundedElastic()) // 将后续操作放到弹性线程池
            .filter(s -> {
                System.out.println("Filter - Thread: " + Thread.currentThread().getName());
                // 模拟 I/O 密集型操作
                try {
                    Thread.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(50));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return s.contains("4");
            })
            .subscribe(
                s -> System.out.println("Subscribe - Thread: " + Thread.currentThread().getName() + ", Value: " + s),
                Throwable::printStackTrace
            );

        Thread.sleep(2000); // 模拟程序的运行时间，确保订阅完成
    }
}

在这个例子中，我们首先使用 publishOn(Schedulers.parallel()) 将 map2 操作放到并行线程池中执行，模拟 CPU 密集型操作。然后，我们使用 publishOn(Schedulers.boundedElastic()) 将 filter 操作放到弹性线程池中执行，模拟 I/O 密集型操作。这样可以充分利用多核 CPU 的优势，并避免阻塞 Reactor 的工作线程。

总结：

场景	推荐使用的 Scheduler	原因
CPU 密集型任务	`Schedulers.parallel()`	利用多核 CPU 并行执行，避免阻塞 Reactor 工作线程。
I/O 密集型任务	`Schedulers.boundedElastic()`	避免阻塞 Reactor 工作线程，弹性线程池可以根据需要动态创建线程，但需要限制大小。
阻塞 API 调用	`Schedulers.boundedElastic()`	将阻塞 API 的调用放到专门的线程池中执行，避免阻塞 Reactor 的工作线程。
UI 更新操作 (GUI 应用)	`Schedulers.fromExecutor(Platform::runLater)`	确保 UI 更新操作在 UI 线程中执行，避免线程安全问题。
事件处理	`Schedulers.immediate()`或不指定	对于简单的事件处理，可以直接在 Reactor 的工作线程中执行，避免线程切换的开销。`Schedulers.immediate()` 在当前线程立即执行任务。

调试与诊断：找出阻塞的瓶颈

当 Reactor 链出现阻塞时，我们需要找到阻塞的瓶颈，才能进行针对性的优化。以下是一些常用的调试和诊断工具：

线程 Dump： 线程 Dump 可以显示当前应用程序中所有线程的状态，包括线程的名称、ID、状态、堆栈信息等。通过分析线程 Dump，可以找到哪些线程被阻塞，以及阻塞的原因。
性能分析工具： 可以使用性能分析工具，例如 Java VisualVM、JProfiler 等，来分析应用程序的性能瓶颈。这些工具可以显示 CPU 使用率、内存使用率、线程活动等信息，帮助我们找到阻塞的根源。
Reactor Hooks： Reactor 提供了 Hooks 机制，可以在数据流的各个环节添加自定义的逻辑，例如打印日志、记录时间戳等。通过使用 Reactor Hooks，可以了解数据流的执行情况，找到阻塞的环节。

示例：使用 Reactor Hooks 诊断阻塞

import reactor.core.publisher.Flux;
import reactor.core.scheduler.Schedulers;
import reactor.core.publisher.Hooks;

import java.time.Duration;
import java.time.Instant;

public class HookExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 启用 Reactor Hooks
        Hooks.onOperatorDebug();

        Flux.range(1, 5)
            .log("Source")
            .map(i -> {
                System.out.println("Map 1 - Thread: " + Thread.currentThread().getName());
                return i * 2;
            })
            .publishOn(Schedulers.parallel())
            .map(i -> {
                System.out.println("Map 2 - Thread: " + Thread.currentThread().getName());
                // 模拟 CPU 密集型操作
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return "Value: " + i;
            })
            .subscribe(
                s -> System.out.println("Subscribe - Thread: " + Thread.currentThread().getName() + ", Value: " + s),
                Throwable::printStackTrace
            );

        Thread.sleep(2000);
    }
}

在这个例子中，我们启用了 Reactor Hooks，并使用 log 操作符记录数据流的日志。通过观察日志的输出，可以了解数据流的执行情况，例如每个操作符的执行线程、执行时间等。如果在某个环节出现阻塞，可以从日志中发现端倪。

使用线程Dump发现阻塞
例如，可以使用 jstack <pid> 命令，将pid替换为java进程id，来查看线程dump信息。在线程dump中查找状态为BLOCKED的线程，根据线程栈信息，可以定位到阻塞的代码位置。

最佳实践：构建高效的响应式链

以下是一些构建高效的响应式链的最佳实践：

避免阻塞 API： 尽可能避免在 Reactor 链中使用阻塞 API。如果必须使用阻塞 API，请将其放到专门的线程池中执行，并使用非阻塞的方式来获取结果。
合理使用 publishOn： 只在必要的时候使用 publishOn 进行线程切换。避免过度使用 publishOn，减少线程切换的开销。
使用 subscribeOn： subscribeOn 操作符用于指定订阅者在哪个调度器上执行。可以使用 subscribeOn 将订阅者放到专门的线程池中执行，避免阻塞 Reactor 的工作线程。
背压处理： Reactor 提供了背压机制，可以控制数据流的速率，避免下游操作符处理不过来，导致内存溢出等问题。
错误处理： 在 Reactor 链中添加错误处理逻辑，可以避免程序崩溃，并提供友好的错误提示。
性能测试： 对 Reactor 链进行性能测试，可以发现潜在的性能瓶颈，并进行针对性的优化。

几个关键点的总结

总的来说，Reactor 异步链的阻塞问题通常源于阻塞 API 的使用和 publishOn 的不当配置。理解阻塞 API 的特性，选择合适的 Scheduler 执行任务，以及合理利用调试工具，是解决问题的关键。构建高效的响应式链需要避免阻塞操作，合理控制线程切换，并充分利用 Reactor 提供的背压和错误处理机制。