并发设计模式实战系列(1)：半同步/半异步模式

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今天为大家带来的是并发设计模式实战系列，第一章半同步/半异步（Half-Sync/Half-Async）模式，废话不多说直接开始~

目录

半同步/半异步（Half-Sync/Half-Async）

问题：为什么需要半同步/半异步模式？

1. 核心原理深度拆解

1.1. 三明治架构（分层设计）

1.2. 吞吐量优化关键

2. 生活化类比：快递分拣系统

3. Java代码实现

4. 核心优势

4.1. 线程模式对比

4.2. 队列策略对比

5. 优化扩展

5.1. 异步层性能提升

5.2. 同步层动态扩缩容

5.3. 监控关键指标

结语：如何优雅落地半同步/半异步模式？

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半同步/半异步（Half-Sync/Half-Async）

问题：为什么需要半同步/半异步模式？

在现代高并发系统中，我们常常面临一个核心矛盾：

• 高吞吐量需求：需要快速响应大量请求（如Web服务器、即时通讯）。
• 复杂业务逻辑：某些任务必须阻塞执行（如数据库查询、文件IO）。

传统的纯同步（如每请求一线程）会导致线程爆炸，而纯异步（如Reactor模式）对复杂业务不友好。
半同步/半异步模式应运而生——它通过分层架构，结合两者的优势：

• 异步层：用单线程+非阻塞IO处理高并发接入（如NIO）。
• 同步层：用线程池执行阻塞任务（如业务逻辑）。
• 队列层：作为缓冲，平衡两者速度差异。

本文将通过核心原理、Java代码实战、对比分析，带你彻底掌握这一经典架构模式。

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1. 核心原理深度拆解

1.1. 三明治架构（分层设计）

┌───────────────┐      ┌───────────────┐      ┌───────────────┐
│  Async Layer  │───>  │   Task Queue  │───>  │   Sync Layer  │
│ (Non-Blocking)│<───  │ (Thread-Safe) │<───  │ (Thread Pool) │
└───────────────┘      └───────────────┘      └───────────────┘

• 异步层：使用 单线程 + Selector 处理高并发I/O（如NIO）
• 队列层：使用 BlockingQueue 实现流量缓冲（容量需根据业务设定）
• 同步层：使用 线程池 处理阻塞任务（如数据库操作）

1.2. 吞吐量优化关键

• 异步层不等待：接收到请求后立即转交队列，快速回到I/O处理
• 同步层可控：通过线程池大小限制并发任务数，避免资源耗尽

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2. 生活化类比：快递分拣系统

系统组件	现实类比	核心行为
异步层	快递扫描机	快速扫描包裹，不拆包检查内容
队列层	传送带缓冲区	暂存包裹，平衡上下游速度差异
同步层	分拣工人团队	拆包检查、分类处理包裹

• 突发流量处理：扫描机（异步层）1秒处理1000包裹 → 传送带（队列）缓冲 → 工人（同步层）按能力处理

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3. Java代码实现

import java.util.concurrent.*;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;public class HalfSyncHalfAsyncServer {// 任务队列（设置容量防止OOM）private final BlockingQueue<Runnable> taskQueue = new LinkedBlockingQueue<>(1000);// 异步层：模拟NIO事件循环class AsyncLayer implements Runnable {private Selector selector;public AsyncLayer() throws Exception {this.selector = Selector.open();// 初始化ServerSocketChannel等（略）}@Overridepublic void run() {while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {try {// 1. 非阻塞select()int readyChannels = selector.selectNow();if (readyChannels == 0) continue;// 2. 处理IO事件（如新连接）SocketChannel client = acceptNewClient(); // 伪代码System.out.println("[Async] 接收新连接: " + client);// 3. 生成任务并提交队列taskQueue.put(() -> handleClient(client));} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}private void handleClient(SocketChannel client) {// 实际业务处理在同步层System.out.println("[Sync] 处理客户端: " + client);// 模拟耗时操作try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) {}}}// 同步层：线程池配置private final ExecutorService syncWorkerPool = new ThreadPoolExecutor(4, // 核心线程数（根据CPU核数调整）16, // 最大线程数（突发流量缓冲）30, TimeUnit.SECONDS,new LinkedBlockingQueue<>(100),new ThreadFactory() {private int count = 0;@Overridepublic Thread newThread(Runnable r) {return new Thread(r, "sync-worker-" + count++);}},new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy() // 队列满后由提交线程执行);// 启动方法public void start() throws Exception {// 启动异步层线程new Thread(new AsyncLayer()).start();// 启动同步层消费队列new Thread(() -> {while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {try {Runnable task = taskQueue.take();syncWorkerPool.execute(task);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}}).start();}public static void main(String[] args) throws Exception {new HalfSyncHalfAsyncServer().start();}
}

关键配置说明：

// 线程池拒绝策略：当队列满时，由提交任务的线程自己执行
new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()// 队列选择：LinkedBlockingQueue vs ArrayBlockingQueue
// - LinkedBlockingQueue：默认无界，需设置容量
// - ArrayBlockingQueue：固定大小，更严格的控制

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4. 核心优势

4.1. 线程模式对比

模式	适用场景	吞吐量	资源消耗	编程复杂度
Half-Sync/Half-Async	高并发+阻塞任务混合	高	中	中
Thread-Per-Request	简单业务逻辑	低	高	低
Leader/Follower	均匀负载分配	中高	中	高
Reactor	纯非阻塞任务	极高	低	高

4.2. 队列策略对比

队列类型	特点	适用场景
LinkedBlockingQueue	无界队列（需设置容量）	平稳流量，允许短期堆积
SynchronousQueue	直接传递，无缓冲	严格要求实时处理
PriorityBlockingQueue	按优先级处理任务	VIP用户请求优先
DelayedWorkQueue	延迟执行任务	定时任务调度

5. 优化扩展

5.1. 异步层性能提升

// 使用多个Selector（多线程异步层）
Selector[] selectors = new Selector[4];
for (int i = 0; i < selectors.length; i++) {selectors[i] = Selector.open();new Thread(new AsyncLayer(selectors[i])).start();
}

5.2. 同步层动态扩缩容

// 动态调整线程池参数
ThreadPoolExecutor pool = (ThreadPoolExecutor) syncWorkerPool;
pool.setCorePoolSize(8); // 根据系统负载动态调整
pool.setMaximumPoolSize(32);

5.3. 监控关键指标

// 队列积压监控
int queueSize = taskQueue.size(); // 线程池活跃度
int activeCount = pool.getActiveCount();
long completedTasks = pool.getCompletedTaskCount();

结语：如何优雅落地半同步/半异步模式？

半同步/半异步模式并非银弹，使用时需注意：

1. 队列管理：设置合理容量，避免OOM；支持优先级/超时控制。
2. 线程池调优：根据任务类型（CPU/IO密集型）动态调整线程数。
3. 监控告警：关注队列积压、线程池活跃度等关键指标。

适用场景：
✅ 高并发+长耗时任务混合（如电商下单系统）
✅ 需要平衡吞吐量与开发效率

不适用场景：
❌ 纯计算密集型任务（建议用分治+Future）
❌ 超低延迟场景（建议用纯异步模式）